ННЧ – ДНЧ радіозондування порожнини Земля – іоносфера

Показано існування квазіперіодичних 16-денних варіацій інтенсивності нічних флуктуацій амплітуди сигналів ДНЧ передавачів. Варіації спектрального складу додатної фракції дисперсії амплітуди НЧ сигналу 40 кГц на трасі JG2AS (Японія) - Петропавловськ-Камчатський. Ці варіації у НЧ сигналі демонструють регулярні сезонні зміни, які характеризують активність 16-денних планетарних хвиль на висотах нижньої іоносфери за незалежними даними аерономічних радарних спостережень. Таким чином, ДНЧ - НЧ радіозондування нижньої іоносфери може забезпечити додаткову інформацію про планетарні хвилі у верхніх шарах атмосфери.

Результати, наведені у шостому розділі, опубліковано у працях [6, 16, 17, 21, 23, 26, 27, 33, 39, 43, 49].

ВИСНОВКИ

У дисертації наведене вирішення наукової проблеми розвитку методів вивчення поширення ННЧ - ДНЧ радіохвиль у порожнині Земля - іоносфера. Одержано розв'язки комплексу взаємозв'язаних зворотних задач радіофізики, на основі яких запропоновано та обґрунтовано нові методи радіозондування нижньої іоносфери, найменш вивченої з усіх областей іоносфери, за допомогою ННЧ - НДХ радіовипромінювань грозових розрядів, а також визначення динаміки просторового розподілу світової грозової активності, як індикатора глобальних змін в навколишньому середовищі. Експериментально досліджено зв'язок варіацій параметрів ННЧ - ДНЧ радіохвиль з катастрофічними подіями космічного та сейсмічного походження. Практична цінність результатів дисертації полягає в тому, що вони можуть бути використані при розробках автоматичних систем моніторингу нижньої іоносфери та світової грозової активності, однопозиційних і багатопозиційних систем локації блискавок. Створені банки даних, які включають довготривалі записи других статистичних моментів поля та часових реалізацій ННЧ сплесків, дають основу для подальшого вивчення властивостей поширення ННЧ радіохвиль і уточнення існуючих моделей динаміки світової грозової активності. Одержані нові експериментальні дані про поширення ДНЧ радіохвиль над сейсмоактивними районами можуть бути використані для побудови адекватних моделей сейсмо-іоносферної взаємодії з урахуванням впливу хвилевих процесів в атмосфері та створення системи попередження про землетруси.

Основні результати, одержані в дисертації, зводяться до наступного.

1. Вперше проведено моніторинг глобального електромагнітного резонансу в високоширотному пункті спостережень (пос. Лехта, Карелія) та накопичено банк цифрових цілодобових записів енергетичних і взаємних спектрів трьох компонент поля, що охоплює період з 1998 р. до 2005 р. Для цих вимірювань створено апаратуру та програмне забезпечення для збору даних, їх попереднього оброблення та послаблення завад в реальному часі, що показали високу надійність під час довготривалої автономної роботи. При цьому для досліджень динаміки активності світових грозових центрів уперше застосовано оригінальні методики вимірювань з використанням повного набору других статистичних моментів ННЧ поля, серед яких є розраховані за фоновим ННЧ полем вектор Умова-Пойнтінга і середній хвилевий імпеданс.

- Вимірювання показали, що існує два типи добових варіацій напряму вектора Умова-Пойнтінга. Перший тип асоціюється із загальноприйнятою концепцією трьох світових грозових центрів з максимумами активності в 9 годин (Азія), 14 годин (Африка) і 20 годин (Америка) за світовим часом. При цьому вектор Умова-Пойнтінга указує на рух вечірнього термінатора, що ініціює світові грози. Інша група експериментальних залежностей указує на існування додаткового нічного (2 - 3 години) максимуму активності африканського СГЦ. Його інтенсивність складає приблизно 1/3 від основного денного максимуму, а за часом він виникає приблизно за половину доби від основного піку грозової активності в африканському СГЦ. Нічна грозова активність Африки проявляється як зміна напряму руху вектора Умова-Пойнтінга на протилежний, тобто із заходу на схід.

- Показано, що середній хвильовий імпеданс та поляризаційні властивості ННЧ поля, одержані на основі аналізу взаємних спектрів ортогональних компонент магнітного поля, можуть бути використані для оцінки дистанції до компактних областей грозової активності та одержання відомостей про їх просторовий розподіл.

2. За допомогою проведеного довготривалого моніторингу ЩР виявлено раніше не вивчені характерні зміни параметрів ШР, пов'язані із потужними СПП, на основі детальних досліджень структури та динаміки ННЧ поля.

- Спостерігалось зниження пікових частот першої та другої мод до десяти відсотків в електричній компоненті та в магнітній компоненті поля, орієнтованої в напрямку захід - схід. Варіації пікових частот, пов'язані із СПП, в компоненті південь-північ, як правило, не спостерігались, що підтверджується також порівнянням результатів вимірювань в двох віддалених пунктах у Карелії та на Камчатці. Відмінність між компонентами може бути пов'язана з чутливістю магнітної компоненти захід - схід до джерел, які знаходяться на трасі, що перетинає приполярні області, які найбільш підпадають під дію протонних висипань.

- Спостерігались два типи зростання спектральної щільності ННЧ радіосигналу: а) підйом в області спектру ШР нижчій за частоту першої резонансної моди, що пояснюється появою потужних високочастотних пульсацій геомагнітного поля; б) суттєве зростання загального рівня всіх компонент поля зі збереженням резонансної структури сигналу, яке в низці випадків приводило до спотворення регулярних добових варіацій інтенсивності ННЧ поля.

- Спостерігалися суттєві зміни структури - “розщеплення” резонансних піків в спектрі електричної компоненти, поява яких збіглася з максимумом найбільш потужної події 6 листопада 2001р. Пікові частоти додаткових максимумів варіювали в діапазоні від 6 до 8 Гц для першої моди і від 12 до 14 Гц для другої моди.

3. В роботі розроблено метод реконструкції дистанційного профілю інтенсивності світової грозової активності, заснований на декомпозиції середніх спектрів природного фонового поля ННЧ на складові, які відображають ефективну кількість розрядів блискавок на різних дистанціях від спостерігача.

- Застосування даного методу дозволяє зменшити вплив різного роду адитивних завад з наперед відомим спектральним складом, що виникають у вимірюваннях, на результати аналізу.

- Шляхом чисельного моделювання знайдено критерії вибору оптимальних значень параметра регуляризації. Показано, що використання комбінацій спектрів електричної та магнітних компонент поля дозволяє зменшити вплив похибки при виборі моделі спектру моменту струму джерела.

- Застосування розробленого методу реконструкції до експериментальних записів ШР, одержаних у високоширотному пункті в Лехті, показало, що світові грозові центри виявляються у дистанційних профілях як окремі помітні моди, причому їх зміни на добовому масштабі часу узгоджуються із загальноприйнятими уявленнями.

- Показано, що додаткова інформація про азимутний розподіл джерел може бути одержана в рамках однопозиційного методу шляхом роздільного аналізу ортогональних магнітних компонент при спостереженнях з віддалених від світових грозових центрів високоширотних пунктів.

- Показано що оцінки варіацій інтенсивності, одержані шляхом інтегрування потужності сигналу в діапазоні частот ШР, відрізняються не більше ніж на 30% протягом доби від варіацій, одержаних на основі реконструкції дистанційного профілю.

4. Вперше запропоновано метод томографічної реконструкції просторового розподілу світової грозової активності за даними вимірювань природних полів в діапазонах ННЧ - ДНЧ.

- У діапазоні ННЧ метод базується на використанні дистанційних профілів, реконструйованих по середніх спектрах фонового електромагнітного поля в різних віддалених приймальних пунктах, розподілених по поверхні Землі. Показано, що характерні розподіли світової грозової активності, зосередженої в світових грозових центрах, можуть бути відновлені якщо використовувати декілька вимірювальних пунктів за умови їх оптимального розміщення поблизу екватора та у високих широтах.

- У діапазоні ДНЧ метод базується на вимірюваннях азимутальних розподілів атмосфериків у різних приймальних географічно рознесених пунктах. Показано, що запропонований метод реконструкції томографії просторового розподілу грозової активності дозволяє реалізувати спрощену, в порівнянні з діючими мережами, систему локації блискавок, що не вимагає жорсткої часової синхронізації окремих приймальних пунктів.

- На підставі застосування запропонованого методу ДНЧ-томографії до даних, одержаних в експерименті на борту судна, оцінена структура розподілу блискавок в Африці за період березень - квітень 1991 р. Показано, що структура одержаного розподілу блискавок в Африці відповідає результатам незалежних космічних спостережень. Виявлено, що основна частка блискавок була пов'язана з сушею та концентрувалася переважно в районі екватора, а також в приекваториальних південних широтах континенту в басейнах великих річок, острові Мадагаскар, прибережній частині Гвінейської затоки.

- Розроблено ефективний алгоритм ННЧ - ДНЧ томографічної реконструкції, заснований на скороченні рангу системної матриці томографічного перетворення, який знижує вимоги до обчислювальних ресурсів комп'ютера.

5. Розвинуто напрямок досліджень нижньої іоносфери з використанням сигналів нічних ННЧ - ДНЧ атмосфериків, що відображають властивості поперечного резонансу порожнини Земля - іоносфера.

- Розроблено нову методику визначення висоти нижньої границі іоносфери та дистанції до джерела випромінювання, яка базується на явищі модової інтерференції в спектрах атмосфериків.

- В результаті аналізу, проведеного з урахуванням поляризаційних особливостей поля нічних ННЧ - ДНЧ атмосфериків, одержано оцінки електронної концентрації в нижній іоносфері (на висотах в околі 88 км). Електронна концентрація змінюється приблизно від 3·10⁷ до 3·10⁸ м ^-3 в діапазоні близько 2 км, що відповідає висотному масштабу 1 км ^-1 в моделі експоненціального профілю електронної концентрації іоносфери.

- Вперше виконано моніторинг регулярних змін параметрів нижньої іоносфери на основі аналізу нічних ННЧ - ДНЧ атмосфериків. Продемонстровано їх залежність від зенітного кута Сонця, а також сезонних змін. Показано, що при зміні зенітного кута в межах 105° - 167° (добові варіації) висота нижньої іоносфери збільшується від моменту після заходу до моменту місцевої опівночі на 4 - 5 км. Порівняння даних, одержаних в літній час і в період, близький до осіннього рівнодення (сезонні варіації), виявило підвищення нижньої границі іоносфери в літній час приблизно на 2 км. Одержані результати в основному узгоджуються з ефектами добових і сезонних змін, що передбачаються моделями нижньої іоносфери, проте вимагають їх часткової модифікації. Така модифікація повинна полягати в збільшенні висоти, відповідної рівню електронної концентрації ~3·10⁷ - 3·10⁸ м ^-3, приблизно на 5 - 6 км в порівнянні з моделлю IRI, або на 1 - 2 км в порівнянні з вдосконаленою моделлю нижньої іоносфери FIRI.

- Аналіз синхронних надводно-підводних вимірювань ДНЧ атмосфериків показав, що багатомодовий склад і поляризаційні особливості поля ДНЧ атмосфериків, спостережуваних в нічний час, приводять до нерегулярної поведінки передавальних функцій в околі частот відсічки хвилеводу Земля - іоносфера. Шар морської води при цьому служить просторовим фільтром для поля, що поширюється в хвилеводі Земля - іоносфера. Окрім підйому низьких частот за рахунок провідних властивостей морської води, відбувається також посилення проникаючого під поверхню моря поля на частотах, близьких до частот відсічки хвилеводу, за рахунок близькості кутів падіння до нормалі і еліптичної поляризації поля. Ці особливості повинні враховуватися при підводному прийомі атмосферних сигналів.

6. Проведено дослідження збурень в сигналах ДНЧ і НЧ радіостанцій на трасах, що проходять над районами Далекого Сходу з високою сейсмічною активністю. Аналіз проводився за допомогою методу «термінаторного часу», методу дисперсії нічних флуктуацій і методу, заснованого на вивченні спектральних особливостей флуктуацій сигналу.

- Вперше реалізовано схему вимірювань ДНЧ сигналів на різних трасах з метою виявлення збурень в сигналах, пов'язаних з сейсмічними подіями, що відбуваються в районі, який перекривається даними трасами. Виявлено, що інтенсифікація квазіперіодичних коливань з періодами 5 - 20 днів передує сильним землетрусам (M5,0 - 5,9) поблизу пункту вимірювань і спостерігається одночасно для сигналів декількох станцій.

- Вперше виявлено квазіперіодичні варіації сейсмічної активності, інтегрованої по великій області (500 км навколо Токіо), з періодами у діапазоні 4 - 14 діб. Подібні періодичності спостерігаються також у варіаціях інтенсивності флуктуацій ДНЧ сигналів, які, окрім цього, характеризуються також періодичністю біля 27 днів. Така періодичність не спостерігається у варіаціях сейсмічної активності і може бути пов'язана з періодом обертання Сонця і/або впливом місячних приливно-відливних процесів у верхній атмосфері.

- Вперше виявлено зв'язок між рівнем регіональної сейсмічної активності і інтенсивністю нічних флуктуацій амплітуди ДНЧ сигналу станції “Omega”. Показано, що максимальна кореляція між аномальними відхиленнями інтенсивності флуктуацій досягається за 1 - 3 дні перед потужними землетрусами з відносно невеликою фокусною глибиною (менше 40 км), які стались на відстанях до 350 - 400 км від пункту спостережень.

- В результаті досліджень спектрального складу нічних флуктуацій амплітуди ДНЧ сигналів виявлено “хвилеві” аномалії з періодом декілька годин, що корелювали з сильними землетрусами.

- В результаті аналізу сигналів НЧ станції JG2AS, що реєструвалися одночасно в Моширі (острів Хоккайдо) і Петропавловську-Камчатському, виявлено синхронні квазіперіодичні 16-тиденні осциляції інтенсивності флуктуацій сигналу, які передували потужному (М = 8,3) землетрусу, що стався поблизу відповідних трас поширення. Найбільш сильні аномалії в сигналі відповідали негативним відхиленням амплітуди, що можна пояснити збільшенням загасання хвиль уздовж контрольованих трас поширення, пов'язаних із збільшенням турбулентності унаслідок дисипації ВГХ на висотах нижньої іоносфери.

- Виявлено сезонні варіації квазіперіодичних 16-тиденних збурень, максимум яких досягається в зимові місяці, що відповідає активності планетарних хвиль (хвиль Росбі) на висотах нижньої іоносфери. Ця обставина указує на можливість одержання інформації про властивості планетарних хвиль за допомогою НЧ - ДНЧ радіозондування хвилеводу Земля - іоносфера.

ПЕРЕЛІК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Rafalsky V. A., Shvets A. V., Hayakawa M. One-site distance-finding technique for locating lightning discharges // Journal of Atmospheric and Terrestrial Physics. - 1995. - 57. - No 11. - P. 1255-1761.

2. Rafalsky V. A., Nickolaenko A. P., Shvets A. V., Hayakawa M. Location of lightning discharges from a single station // Journal of Geophysical Research. - 1995. - 100. - No. D10. - P. 20829-20838.

3. Shvets A. V., Lazebny B. V., Kukushkin A. S. Synchronous measurement of Atmospherics on the Sea Surface and Underwater // Journal of Atmospheric Electricity. - 1996. - Vol.16. - No.3. - P. 221-226.

4. Shvets A. V., Nickolaenko A. P., Hayakawa M. Characteristics of Nearby Discharges Observed at Singapore // Journal of Atmospheric Solar and Terrestrial Physics. - 1997. - 59. - No 14. - P. 1717-1726.

5. Швец А. В. О поляризационных свойствах твиков // Радиофизика и электроника: Сб. научн. тр. / НАН Украины, Ин-т радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова. - Харьков. - 1997. - т.2. - № 2. - С. 101-106.

6. Molchanov O. A., Shvets A. V., Hayakawa M. Analysis of Lightning-Induced Ionization from VLF Trimpi Events // Journal of Geophysical Research. - October 1, 1998. - Vol.103. - No. A10. - P. 23,443-23,458.

7. Shvets A. V., Hayakawa M. Polarization effects for tweek propagation // Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. - 1998. - Vol. 60. - P. 461-469.

8. Shvets A. V., Lazebny B. V., Kukushkin A. S., Hayakawa M. Analysis of Penetration of VLF Atmospherics under Water Using Synchronous Measurement on the Sea Surface and in Depth // В монографии “Atmospheric and Electromagnetic Phenomena Associated with Earthquakes, Ed. M. Hayakawa, TERRAPUB, Tokyo. - 1999. - P. 989-996.

9. Rafalsky V. A., Hayakawa M., Shvets A. V. Polarization effects for subionospheric ELF/VLF signals penetrated into the seawater // Atmospheric Research. - 1999. - 51. - P.237-244.

10. Belyaev G. G., Schekotov A. Yu., Shvets A. V., Nickolaenko A. P. Schumann resonance observed with the Poynting vector spectra // Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. - 1999. - 61. - P.751-763.

11. Беляев Г. Г., Николаенко А. П., Швец А. В., Щекотов А. Ю. Наблюдения за движением мировой грозовой активности по анализу трехкомпонентных измерений Шумановских резонансов // Радиофизика и электроника: Сб. научн. тр. / НАН Украины, Ин-т радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова. - Харьков. - 1999. - т. 4. - №1. - С. 63-69.

12. Швец А. В. СНЧ томография мировой грозовой активности // Радиофизика и электроника: Сб. научн. тр. / НАН Украины, Ин-т радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова. - Харьков. - 2000. - т.5. - №1. - С. 113-118.

13. Shvets A. V. A technique for reconstruction of global lightning distance profile from background Schumann resonance signal // Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. - 2001. - 63. - P. 1061-1074.

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

15. Швец А. В. Восстановление пространственного распределения грозовой активности по результатам пеленгации СДВ атмосфериков с борта движущегося судна // Радиофизика и электроника: Сб. научн. тр. / НАН Украины, Ин-т радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова. - Харьков. - 2001. - т.6. - №1. - С. 78-83.

16. Hayakawa M., Molchanov O. A., Shima N., Shvets A. V., Yamamoto N. Wavelet analysis of disturbances in subionospheric VLF propagation correlated with earthquakes // In monograph “Seismo Electromagnetics. Litosphere-Atmosphere-Ionosphere Coupling” Ed. M. Hayakawa, and O. A. Molchanov, TERRAPUB, Tokyo. - 2002. - P. 223-228.

17. Shvets A. V., Hayakawa M., Molchanov O. A. Subionospheric VLF monitoring for earthquake-related ionosphere perturbations // Journal of Atmospheric Electricity. - 2002. - Vol.22. - No.2. - P. 87-99.

18. Николаенко А. П., Рабинович Л. М., Швец А. В., Щекотов А. Ю. Обнаружение расщепления собственных частот шумановских резонансов // Радиофизика и электроника: Сб. научн. тр. / НАН Украины, Ин-т радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова. - Харьков. - 2002. - т.7. - №3. - С. 498-508.

19. Roldugin V. C., Maltsev Y. P., Vasiljev A. N., Shvets A. V., Nickolaenko A. P. Changes of Schumann Resonance parameters during the solar proton event of 14 July 2000 // Journal of Geophysical Research. - 2003. - 108(A3) . - 1103. - doi: 10.1029/2002JA009495. - P. SIA 2-1 - 2-7.

20. Швец А. В., Иванов В. К., Варавин А. В. Мобильная многоканальная система автоматизированного сбора и анализа низкочастотных сигналов при наличии мощных сетевых помех // Приборы и техника эксперимента. - 2003. - №3. - С.74-80.

21. Shvets A. V., Hayakawa M., Molchanov O. A., Ando Y. A study of ionospheric response to regional seismic activity by VLF radio sounding // Special issue on “Seismo Electromagnetics and Related Phenomena” Journal of Physics and Chemistry of the Earth. - 2004. - 29/4-9. - P. 627-637.

22. Николаенко А. П., Рабинович Л. М., Швец А. В., Щекотов А. Ю. Поляризационные характеристики низкочастотных резонансов в полости Земля-ионосфера // Изв. Вузов, Радиофизика. 2004. - XLVII. - 4. - С. 267-291.

23. Shvets A. V., Hayakawa M., Maekawa S. Results of subionospheric radio LF monitoring prior to the Tokachi (M=8, Hokkaido, September 25, 2003) earthquake // Natural Hazards and Earth System Sciences. - 2004. - 4. - P.647-653.

24. Ando Y., Hayakawa M., Shvets A. V., Nickolaenko A. P. Finite Difference Analyses of Schumann Resonance and Reconstruction of Lightning Distribution // Radio Science. - 2005. - 40(2) . - RS2002. - doi:10.1029/2004RS003153.

25. Швец А. В., Николаенко А. П., Беляев Г.Г., Щекотов А. Ю. Анализ вариаций параметров шумановского резонанса связанных с солнечными протонными событиями // Радиофизика и электроника: Сб. научн. тр. / НАН Украины, Ин-т радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова. - Харьков. - 2005. - т.10. - №1. - С. 85-97.

26. Hayakawa M., Shvets A. V., Maekawa S. Subionospheric LF monitoring of ionospheric perturbations prior to the Tokachi earthquake and a possible mechanism of lithosphere-ionosphere coupling // Advances in Polar Upper Atmosphere Research. - 2005. - 19. - P. 42-54.

27. Cevrone G., Maekawa S., Singh R. P., Hayakawa M., Kafatos M., Shvets A. V. Surface latent heat flux and LF anomalies prior to the Mw=8.3 Tokachi-Oki earthquake // Natural Hazards and Earth System Sciences. - 2006. - 6. - P.109-114. - SRef-ID: 1684-9981/nhess/2006-6-109.

28. Yatsevich E. I., Nickolaenko A. P., Shvets A. V., Rabinowicz L. M. Two component source model of Schumann resonance signal // Journal of Atmospheric Electricity. - 2006. - Vol.26. - No.1. - P.1-10.

29. Shvets A. V., Nickolaenko A. P., Hayakawa M. Characteristics of near discharges observed at Singapore // International Union of Geodesy and Geophysics XXI General Assembly. - July 2-15, 1995. - Boulder, Colorado, USA. - P.A256.

30. Rafalsky V. A., Shvets A. V., Hayakawa M. Estimating the ionosphere height and distance to lightning discharges using ELF/VLF atmospherics // International Symposium on Electromagnetic Compatibility, Proceedings. - June 26-30, 1995. - St. Petersburg, Russia. - P.217-220.

31. Shvets A. V. Polarization effects for night time atmospheric propagation // 13th International Wroclaw Symposium on Electromagnetic Compatibility, Poland. - June 25-28, 1996. - P. 632-634.

32. Shvets A. V., Lazebny B. V., Kukushkin A. S. Synchronous Measurement of Submarine and Atmosphere Components of VLF Atmospherics // 10^th International Conference on Atmospheric Electricity. - June 10-14, 1996. - Osaka, Japan. - Proceedings. - P. 448-451.

33. Hayakawa M., Molchanov O. A., Shvets A. V., Yamamoto N. Multi-signal studying of seismo-ionospheric interconnections using OmniPAL receiver // International Conference on Mathematical Methods in Electromagnetic Theory, MMET-98 Kharkov, Ukraine. - June 2-5, 1998. - Conf. Proceedings. - Vol.1. - P. 277-278.

34. Nickolaenko A. P., Belyaev G. G., Shvets A. V., Schekotov A. Yu. Diurnal Motion of the Global Thunderstorm Activity Deduced From the Poynting Vector Observations in the Schumann Resonance Band // XXVI^th General Assembly URSI, University of Toronto, Toronto, Ontario, Canada. - August 13-21, 1999. - Abstracts, P.294.

35. Shvets A. V. Distance estimation to the world thunderstorm centers by measurement of the Schumann resonance background // XXVI^th General Assembly URSI, University of Toronto, Toronto, Ontario, Canada. - August 13-21, 1999. - Abstracts. - P.297.

36. Shvets A. V. Worldwide lightning mapping with ELF tomography // 15^th International Wroclaw Symposium on Electromagnetic Compatibility. - June 27-30, 2000. - part-2. - P. 541-545.

37. Shvets A. V. Solution of lightning intensity distance distribution reconstruction problem using Schumann resonance signal // International Conference on Mathematical Methods in Electromagnetic Theory, MMET-2000 Kharkov, Ukraine. - September 12-15, 2000. - P. 589-591.

38. Shvets A. V. ELF tomography technique for mapping of the worldwide lightning // International Workshop on Seismo-Electromagnetics, IWSE2000. - September 19-22, 2000. - Tokyo, Chofu-city, Japan. - Abstracts. - P.132.

39. Hayakawa M., Molchanov O. A., Shvets A. V., Shima N., Yamamoto N. Wavelet analysis of disturbances in subionospheric VLF propagation correlated to seismic events // International Workshop on Seismo-Electromagnetics, IWSE2000. - September 19-22, 2000. - Tokyo, Chofu-city, Japan. - Abstracts. - P.34.

40. Николаенко А. П., Швец А. В., Яцевич Е. И. Изменения мировой грозовой активности найденные по данным шумановского резонанса // IV International Symposium on Electromagnetic Compatibility and Electromagnetic Ecology, EMC-2001. - June 19-22, 2001. - P.82-86.

41. Shvets A. V., Nickolaenko A. P., Belyaev G. G., Schekotov A. Yu. Reconstruction of Distance Distribution of the Global Lightning Activity from Schumann Resonance Background // IV International Symposium on Electromagnetic Compatibility and Electromagnetic Ecology, EMC-2001. - June 19-22, 2001. - P.86-90.

42. Shvets A. V. Spatial Structure of the African World Thunderstorm Center Deduced from Direction Finding of VLF Atmospherics // IV International Symposium on Electromagnetic Compatibility and Electromagnetic Ecology, EMC-2001. - June 19-22, 2001. - P.326-330.

43. Shvets A. V., Hayakawa M., Molchanov O. A. Subionospheric VLF Monitoring for Earthquake-Related Ionosphere Perturbations // 16^th International Wroclaw Symposium on Electromagnetic Compatibility. - June 25-28, 2002. - part 2. - P. 531-536.

44. Shvets A. V. Tomography Reconstruction Technique for Lightning Location System // 16^th International Wroclaw Symposium on Electromagnetic Compatibility. - June 25-28, 2002. - part 2. - P. 703-706.

45. Nickolaenko A. P., Rabinowic L. M., Shvets A. V., Schekotov A. Yu. Polarization of Natural Resonance Signals in ULF-ELF Bands // XXVII^th General Assembly URSI. - 17-24 August 2002. - Maastricht. - paper #660.

46. Shvets A. V., Ivanov V. K., Varavin A. V. On possibility of Schumann resonance observations within industrial area // International Conference on Mathematical Methods in Electromagnetic Theory, MMET-2002 Kiev, Ukraine. - September 10-13, 2002. - Vol.2. - P. 623-625.

47. Shvets A. V., Ivanov V. K., Varavin A. V. Schumann resonance observations within urban area // 15th International Zurich Symposium and Technical Exhibition on Electromagnetic Compatibility. - February 18-20, 2003. - EMC, Zurich'03, Switzerland. - P. 37-40 (8B3).

48. Shvets A. V. On some aspects of monitoring of the lower ionosphere using tweek atmospherics // 17^th International Wroclaw Symposium on Electromagnetic Compatibility. - June 29-July 1, 2004. - paper #572.

49. Shvets A. V., Maekawa S., Hayakawa M. Ionospheric precursory signature associated with Tokachi (Hokkaido, September 25, 2003) earthquake observed by LF radio measurements // Int. Workshop on Seismo-Electromagnetics, IWSE2005. - March 19-22, 2005. - Tokyo, Chofu-city, Japan. - Abstracts. - P. 479-482.

50. Shvets A. V., Gorishnya Yu. V. Variations of the lower ionosphere height inferred from “tweek” records // 2^nd International Radio Electronic Forum, IREF'2005, Kharkov, Ukraine. - September 19-23, 2005. - vol. II. - P. 457-459.

51. Gorishnya Yu. V., Shvets, A. V. Modal study of “tweek”- atmospherics // 2006 International Conference on Mathematical Methods in Electromagnetic Theory, MMET-2006, Kharkov, Ukraine. - June 26-29, 2006. - P. 372-374.

АНОТАЦІЯ

Швець О.В. ННЧ - ДНЧ радіозондування порожнини земля - іоносфера. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.03 - радіофізика. - Інститут радіофізики та електроніки ім. О. Я. Усикова Національної академії наук України, Харків, 2008.

Дисертаційну роботу присвячено розробці і реалізації нових методів ННЧ - ДНЧ радіозондування нижньої іоносфери і моніторингу світової грозової активності, заснованих на вимірюваннях природних електромагнітних ННЧ - ДНЧ полів в резонансній порожнині Земля - іоносфера. Детально досліджено вплив такого явища космічної погоди як сонячні протонні події на параметри глобального (шуманівського) резонансу. В роботі розв'язано зворотні радіофізичні задачі, які є основою методів пасивної локації розподілених у просторі джерел ННЧ - ДНЧ полів. Ці методи базуються як на однопозиційних вимірюваннях середніх спектрів природного ННЧ фону та реконструкції дистанційних профілів світової грозової активності, так і на багатопозиційних вимірюваннях для проведення ННЧ - ДНЧ радіотомографії просторового розподілу гроз. Розглянуто нові однопозиційні методи локації блискавок та визначення характерних параметрів нижньої іоносфери з використанням широкосмугових природних сигналів - ДНЧ атмосфериків, на основі яких проведено моніторинг регулярних варіацій (добових та сезонних) параметрів нічної нижньої іоносфери. Досліджено особливості флуктуацій сигналів ДНЧ радіопередавачів, що поширюються поздовж сейсмоактивних трас. Виявлено збурення в ДНЧ сигналах з періодами внутрішніх гравітаційних та планетарних хвиль, які передують потужнім землетрусам, що траплялись поблизу трас поширення.

Ключові слова: Шуманівський резонанс, поперечний резонанс, порожнина Земля - іоносфера, ННЧ - ДНЧ атмосферики, пасивна радіолокація, радіотомографія, світова грозова активність, електромагнітні передвісники землетрусів.

АННОТАЦИЯ

Швец А.В. СНЧ - ОНЧ радиозондирование полости земля - ионосфера. ? Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 01.04.03 - радиофизика. - Институт радиофизики и электроники имени А. Я. Усикова Национальной академии наук Украины, Харьков, 2008.

Диссертационная работа посвящена разработке и реализации новых методов СНЧ - ОНЧ радиозондирования нижней ионосферы и мониторинга мировой грозовой активности. В диссертационной работе выполнены комплексные экспериментальные исследования естественных и искусственных полей в широком диапазоне, охватывающем сверхнизкие и очень низкие частоты, которые возбуждаются и распространяются в резонансной полости Земля-ионосфера.

Проведено исследование полного набора вторых статистических моментов фонового электромагнитного СНЧ поля, имеющих определенный физический смысл. Рассмотрено применение вектора Умова-Пойнтинга, среднего волнового импеданса, а также поляризационных параметров для получения информации о динамике мировой грозовой активности в азимутальном и в дистанционном направлениях, а также о компактности распределенных источников по отношению к высокоширотному пункту наблюдений. Рассмотрено применение новых современных методов цифровой обработки и аппаратура для измерений естественных СНЧ сигналов. На основе детальных исследований структуры и динамики СНЧ поля во время мощных солнечных протонных событий впервые обнаружена чувствительность эффекта снижения пиковых частот шумановского резонанса к ориентации приемной антенны по отношению к направлению на полярные области, которые наиболее подвержены влиянию СПС, а также существенные изменения структуры резонансных пиков, в момент наиболее мощного из наблюдавшихся событий.

С целью усовершенствования методов получения информации о глобальной грозовой активности предложен новый подход, основанный на томографической реконструкции пространственного распределения молний. В качестве томографических проекций используются одномерные распределения интенсивности источников по азимуту или по дистанции, полученные в нескольких пунктах по измерениям естественных СНЧ - ОНЧ полей. Выбор метода измерения проекций определяется в зависимости от морфологии принимаемого сигнала в выбранном диапазоне частот. В СНЧ диапазоне естественный фоновый сигнал формируется за счет перекрывающихся между собой импульсов от отдельных молний, происходящих на всей планете. Для реконструкции дистанционного профиля мировой грозовой активности решена обратная задача декомпозиции средних спектров фонового сигнала СНЧ. Проведено численное исследование влияния ошибок в модели спектра источников и параметров распространения СНЧ радиоволн на точность получаемых решений. Метод реконструкции дистанционного профиля мировой грозовой активности применялся к экспериментальным записям спектров СНЧ полей, результаты реконструкции сравнивались с независимыми данными космических наблюдений. В диапазоне ОНЧ совокупность разрядов молний формирует последовательность изолированных во времени электромагнитных импульсов - атмосфериков, большинство из которых могут быть проанализированы как отдельные события. В данном случае проводятся измерения азимутальных распределений атмосфериков, которые используются в качестве проекций для томографической реконструкции. Выполнено численное моделирование процедуры реконструкции по фоновому сигналу СНЧ при разном количестве и расположении пунктов наблюдения по отношению к мировым грозовым центрам. Получена томографическая реконструкция пространственной структуры гроз по результатам измерений азимутальных распределений ОНЧ атмосфериков из борта судна во время обхода африканского континента.

Выполнено исследование модовой структуры амплитудных спектров ночных ОНЧ атмосфериков и их поляризационных характеристик для реализации метода локации молний и оценки характерных параметров нижней ионосферы. Проведено исследование регулярных вариаций параметров нижней ионосферы на суточном и сезонном масштабах времени на основе анализа ОНЧ атмосфериков. Исследовано влияние поляризационных характеристик ОНЧ атмосфериков на особенности их приема подводной антенной.

Исследованы ночные флуктуации амплитуды сигналов ОНЧ радиостанций в диапазоне частот 12 - 40 кГц, которые регистрировались в ряде пунктов в Японии (Токио; Мошири, о-в Хоккайдо) и в Петропавловске-Камчатском, на трассах, проходящих над районами Дальнего Востока с высокой сейсмической активностью. Исследована их связь с мощными землетрясениями и процессами в атмосфере. Синхронный прием сигналов нескольких станций позволил расширить область мониторинга при наблюдениях из одного пункта. Для анализа в суточном ходе выбирались интервалы, которые охватывают переходные и ночные периоды на трассах распространения, характеризующиеся междумодовой интерференцией в сигнале, и, как следствие, повышенной чувствительностью, к ионосферным возмущениям. Впервые показано существование квазипериодических 16-дневных вариаций интенсивности ночных флуктуаций амплитуды сигналов ОНЧ передатчиков. Показано, что сезонные изменения этих вариаций отражают активность планетарных волн на высотах нижней ионосферы. Впервые на основе многосигнальных измерений ОНЧ сигналов, распространяющихся вдоль пересекающихся трасс, показана возможность локации ионосферных возмущений, которые проявлялись как синхронные квазипериодические изменения интенсивности флуктуаций амплитуды сигнала с периодом в несколько суток перед мощными землетрясениями. Впервые исследована связь между региональной сейсмической активностью и интенсивностью флуктуаций амплитуды ОНЧ сигналов. Обнаружена корреляция между мощными землетрясениями, глубина которых не превышает 40 км, и аномальными отклонениями интенсивности флуктуаций, опережающими усиление сейсмической активности на 1 - 3 суток.

Ключевые слова: Шумановский резонанс, поперечный резонанс, полость Земля - ионосфера, мировая грозовая активность, СНЧ - ОНЧ атмосферики, радиотомография, пассивная радиолокация, электромагнитные предвестники землетрясений.

ABSTRACT

Shvets A.V. ELF - VLF radiosounding of the earth - ionosphere cavity. - Manuscript.

Thesis for a Doctor of physical-mathematical sciences by specialty 01.04.03. - radiophysics. Usikov's O. Ya. Institute for Radiophysics and Electronics of National Academy of Sciences of Ukraine, Kharkov, 2008.

This thesis is devoted to development and realization of new methods of ELF - VLF radiosounding of the lower ionosphere and monitoring of a world thunderstorm activity, based on measurements of natural electromagnetic ELF - VLF fields within the resonance cavity Earth-ionosphere. Influence of solar proton events is investigated on the parameters of global (Schumann) resonance. Inverse radiophysical problems solutions were obtained which are basis of methods of passive location of spatially distributed sources of ELF - VLF fields. These methods are based both on the single-station measuring of average spectra of the natural ELF background and reconstruction of the distance profiles of a world thunderstorm activity and on the multi-station measurements for the ELF - VLF radio tomography of the spatial distribution of thunderstorms. New one-site methods for lightning location and determination of characteristic lower ionosphere parameters have been considered. The methods, based on using wideband VLF atmospherics, were employed for monitoring of regular (diurnal and seasonal) variations of lower ionosphere parameters. Amplitude fluctuations of signals of VLF radio transmitters are investigated on seismoactive propagation paths. Perturbations in VLF signals were found out with the periods of internal gravity and planetary waves, which are preceded powerful earthquakes that happened in vicinity of monitored propagation paths.

Keywords: Schumann resonance, transverse resonance, Earth-ionosphere cavity, ELF - VLF atmospherics, radiotomography, worldwide lightning activity, lightning detection, electromagnetic earthquake precursors.

Наукове видання

Швець Олександр Вячеславович

ННЧ - ДНЧ РАДІОЗОНДУВАННЯ ПОРОЖНИНИ ЗЕМЛЯ - ІОНОСФЕРА

Відповідальний за випуск В.К. Іванов

Підписано до друку 23.04.2008 р. Формат паперу 6084/16.

Друк. офсетн. Ум. друк. арк. 2,0.

Замовлення № 26. Тираж 100 прим. Безкоштовно.

Ротапринт ІРЕ ім. О. Я. Усикова НАН України

Харків, 61085, вул. Акад. Проскури, 12

Размещено на Allbest.ru