Примеры измерения импульсной компоненты электромагнитного поля ОНЧ-диапазона на фоне сейсмической активности

Автор: Галахов Алексей

В статье приводятся экспериментальные данные импульсной компоненты естественного электромагнитного поля ОНЧ-диапазона (И.К. Э-М. П.), зарегистрированного на авроральной обсерватории ПГИ Баренцбург (78,08°, 14,2°; арх. Шпицберген), магнитограмм геомагнитного поля Земли, полученных на норвежской авроральной станции LYR TGO (78,20°, 15,82°; арх. Шпицберген), и сейсмические данные норвежской сети NORSAR. В качестве примера приведены синхронные записи двух массивов 01–10.11.2019 и 01–10.11.2021 экспериментальных данных И.К. Э-М. П., магнитограмм земного поля, которые сопоставляются во времени с моментами начала землетрясений. Высказано предположение, что рассматриваемые импульсные излучения, которые значительно (в 3–9 раз) превосходят по амплитуде поле атмосфериков, являются результатом сейсмических событий (пьезоэлектрический эффект). В качестве приёмно-регистрирующей аппаратуры использованы два приёмника ОНЧ-диапазона (400…7500 Гц) со взаимно ортогональным расположением приёмных рамочных антенн и последовательный анализатор спектра импульсных сигналов. Аппаратура была разработана в ПГИ (г. Апатиты), выполнена на основе программируемых аналоговых (AN221E04) и цифровых (PIC18F452) интегральных микросхем. Данная структура построения аппаратуры дала возможность реализовать режим динамической реконфигурации ПАИС, что позволило в реальном времени менять функциональную схему устройства и его технические характеристики, тем самым получать высокую точность и стабильность результатов обработки исследуемых сигналов.

Работа, основанная на результатах обработки архивных экспериментальных данных импульсной компоненты электромагнитного поля (И.К. Э-М. П.), полученных на авроральной обсерватории ПГИ Баренцбург (78,08°, 14,2°; арх. Шпицберген), магнитограммах норвежской станции LYR TGO (78,20°, 15,82°; арх. Шпицберген) и календаря сейсмических событий норвежской сети NORSAR [https://www.norsar.no/extranet/bulletins/] для района с координатами (68±10°, 14±10°), является продолжением тематики изучения влияния гелиогеофизических факторов на амплитудно-частотные характеристики естественного электромагнитного поля ОНЧ-диапазона.

Многие авторы рассматривают грозовой генератор основным источником естественного шумового электромагнитного поля в широком диапазоне частот: поля атмосфериков [1]. Поле атмосфериков – это сигнал, формируемый спектром излучаемых молнией электромагнитных волн, который имеет интерференционный характер, обусловленный суперпозицией прямой волны, распространяющейся вдоль поверхности Земли, и волн, отражённых от ионосферы.

Спектральные характеристики поля атмосфериков (П.А.) позволяют получать информацию как о свойствах распространения радиоволн, входящих в их спектр, так и о свойствах среды распространения сигнала, какой является волновод Земля – ионосфера [2].

Если в предыдущих работах [8–12] были представлены экспериментальные данные характеристик поля атмосфериков, подтверждающие зависимость влияния таких факторов, как: солнечная активность (корональные выбросы, широкополосное электромагнитное излучение), галактические космические лучи, вариации магнитного поля Земли на АЧХ П.А., то в данной статье приведены примеры регистрации импульсных излучений ОНЧ-диапазона, значительно превосходящих по амплитуде (в 3–9 раз) поле атмосфериков. В качестве показателя, характеризующего геофизическую активность среды в точке приёма сигналов, использованы магнитограммы магнитного поля Земли.

Аппаратура

Для оценки пространственной избирательности сигнала приём осуществлялся на два приёмника ОНЧ-диапазона (400…7500 Гц) с ортогональных направлений Hx–Hy на магнитные рамочные антенны, включённые по схеме с симметричным входом в режиме преобразователя тока в напряжение [3, 4].

В качестве регистратора сигнала использован последовательный анализатор спектра импульсного сигнала ОНЧ-диапазона 400…3600 Гц [5, 6, 7].

Аппаратура была разработана в ПГИ (г. Апатиты) и выполнена на основе программируемых аналоговых (Anadigm, AN221E04) и цифровых (PIC18F452) интегральных микросхем, что позволило получить высокие технические характеристики и использовать режим динамической реконфигурации ПАИС для изменения структурной схемы последовательного анализатора спектра [6, 7].

Выбор ПАИС Anadigm обусловлен его высокими техническими характеристиками:

• низкий уровень собственных шумов (Uсш = 0,13 мкв/√Гц);
• высокая точность обработки аналогового сигнала, где, в отличие от цифровых систем, в дискретно-аналоговых системах сигнал дискретен только во времени;
• наличие на входах ПАИС anti-aliasing – фильтров, построенных на дискретных элементах, устраняет эффект паразитного наложения спектра.

Основные характеристики последовательного анализатора спектра:

• частотный диапазон анализа ∆F = = 600…3600 Гц;
• значения резонансных частот перестраиваемого фильтра в Гц: 613, 750, 909, 1050, 1204, 1350, 1500, 1650, 1795, 1945, 2091, 2200, 2386, 2682, 2978, 3273, 3601;
• полоса пропускания анализирующего фильтра выбрана с учётом средней длительности атмосферика (t ~ 5 мс) и составляет 2∆f0,7 = 200 Гц;
• коэффициент прямоугольности АЧХ фильтра: K0,1 = 2∆F0,7/2∆F0,1 = 0,32, K0,01 = 2∆F0,7/2∆F0,01 = 0,1;
• длительность цикла последовательного анализа: Ta = 25,5 с.

Режим динамической реконфигурации, реализованный в ПАИС Anadigm, позволяет в реальном времени использовать подпрограмму «обнуления», чтобы уменьшить погрешность измерения амплитуды из-за эффекта «звона» фильтра при действии входного импульсного сигнала. В режиме «обнуления» после каждой записи спектральной составляющей сигнала входная цепь анализирующего фильтра отключается от входного сигнала и подключается к общей точке микросхемы на время t ≥ τCF (τCF – постоянная времени фильтра).

Основные функции микроконтроллера PIC-18F452:

• формирование тактовой частоты 16 мГц для работы ПАИС;
• загрузка основной конфигурации (Primary Configurations) и динамической реконфигурации (Transition Configurations) в ПАИС Anadigm через последовательный SPI-порт;
• преобразование аналогового сигнала в цифровую форму;
• реализация последовательного выходного порта USART для записи данных.

Экспериментальные данные

Для более точного сопоставления импульсных сигналов электромагнитного поля с вариациями магнитного поля Земли и началом сейсмических событий при анализе АЧХ и АВХ в работе приведены рисунки исследуемых процессов с различным временны́м разрешением.

На рис. 1, 2, 3, 4, 5, 6 представлены в различных временны́х масштабах синхронные записи АЧХ и АВХ импульсных компонент электромагнитного поля (И.К. Э-М. П.) ОНЧ-диапазона [613…3600 Гц, обс. ПГИ Баренцбург; 78.08°, 14,2°], магнитограмм (1 мин) магнитного поля Земли (https://space.fmi.fi/image/), [обс. LYR TGO 78.20°, 15.82°] и календарь сейсмической активности (https://www.norsar.no/extranet/) района с географическими координатами (68±10°, 14±10°).

На рис. 1, 2 представлены два 10-суточных периода записи АЧХ И.К. Э-М. П. (Hx, Hy) и магнитного поля Земли (Hx, Hy, Hz): [01.11.2019–10.11.2019] и [01.11.2021–10.11.2021].

Рис. 1. Синхронная запись АЧХ И.К. Э-М. П. и магнитного поля Земли, период записи [01.11.2019–10.11.2019]: а) АЧХ И.К. Э-М. П. [Hx, Hy]; б) магнитограммы [Hx, Hy, Hz] поля Земли

Рис. 2. Синхронная запись АЧХ И.К. Э-М. П. и магнитного поля Земли, период записи [01.11.2021–10.11.2021]: а) АЧХ И.К. Э-М. П. [Hx, Hy]; б) магнитограммы [Hx, Hy, Hz] поля Земли

На рис. 3 представлен 3-суточный период записи АЧХ И.К. Э-М. П., сейсмической активности (quake 1, 2) и магнитного поля Земли: [05.11.2019–07.11.2019].

Рис. 3. Синхронная запись АЧХ И.К. Э-М. П., сейсмической активности и магнитного поля Земли, период записи [05.11.2019–07.11.2019]: а) АЧХ И.К. Э-М. П. [Hx, Hy] и сейсмическая активность (quake 1, quake 2); б) магнитограммы поля Земли [Hx, Hy, Hz]

На рис. 4, 5 представлен суточный период записи АВХ И.К. Э-М. П. и сейсмической активности (quake 1, 2): [05.11.2019].

Рис. 4. Синхронная запись АЧХ И.К. Э-М. П. и сейсмической активности, период записи 05.11.2019: а) АЧХ И.К. Э-М. П. [Hx]; б) синхронная запись АВХ И.К. Э-М. П. [Hx] и сейсмической активности (quakes 1, 2); в) синхронная запись АВХ И.К. Э-М. П. [Hy] и сейсмической активности (quakes 1, 2)

Рис. 5. Синхронная запись АВХ пьезоэлектромагнитного импульса П-Э-М.И. и сейсмической активности, период записи [(07:30–17:00) 05.11.2019]: а) синхронная запись АВХ П-Э-М.И. [Hx] и сейсмической активности (quakes 1, 2); б) синхронная запись АВХ П-Э-М.И. [Hy] и сейсмической активности (quakes 1, 2)

На рис. 6 приведены абсолютные значения импульсной компоненты электромагнитного поля.

Рис. 6. АЧХ импульсной компоненты электромагнитного поля [Hx], ΔF = 613…3600 Гц, период записи [(07:00–08:15) 05.11.2019]: а) поле атмосфериков; б) суперпозиция поля атмосфериков и пьезоэлектромагнитного импульса; в) пьезоэлектромагнитный импульс; г) К = П-Э-М.М./П.А.

Светлые оттенки участков приведённых графиков АЧХ И.К. Э-М. П. и компонент магнитного поля Земли отображают временны́е участки:

• когда область наблюдений И.К. Э-М. П. (D-слой нижней ионосферы Земли, h < 100 км) освещена Солнцем (рис. 1а, 2а, 3а);
• моменты наблюдений импульсных излучений э-м. поля (рис. 1б, 2б, 3б).

Календарь архивных сейсмических событий quake 1, 2, обозначенный различными цветовыми оттенками (рис. 3а, 4б, 4г), относится к районам, имеющим следующие географические координаты:

1. Quake 1 [(68…85)°, (10…20)°];
2. Quake 2 [(68…85)°, (05…25)°].

Первичный анализ экспериментальных данных И.К. Э-М. П. за указанные периоды времени позволяет сделать ряд предварительных выводов.

1. Условия регистраций импульсных излучений для компонент Hx и Hy различны.

Компонента Hx:

• нижняя ионосфера освещена Солнцем (рис. 1а, 2а, 3а);
• значения компонент магнитного поля Земли Hz < 54 475 nT и Hx < 7350 nT (рис. 1б, 2б, 3б).

Компонента Hy:

• значения компонент магнитного поля Земли Hz < 55 000 nT и Hy < 1400 nT (рис. 1б, 2б, 3б).

2. Амплитуда пьезоэлектромагнитного импульса значительно превышает амплитуду поля атмосфериков (в 2–9 раз), коэффициент отношений амплитуд этих излучений носит частотно-зависимый характер (рис. 6г). Абсолютные значения импульсной компоненты электромагнитного поля для промежутка времени записи [(07:00–08:15) 05.11.2019] приведены на рис. 6, где: а) поле атмосфериков [07:00]; б) суперпозиция поля атмосфериков и пьезоэлектромагнитного импульса [08:15]; в) пьезоэлектромагнитный импульс.

Амплитуда пьезоэлектромагнитного импульса для каждой частоты анализатора спектра была определена по формуле:

П-Э-М. И. = √(И.К. Э-М. П.)² – (П. А.)².

3. Диапазон волн пьезоэлектромагнитного импульса включает в себя диапазон как поверхностных, так и пространственных волн волновода земля–ионосфера.

4. Временны́е характеристики между сейсмическими событиями, зарегистрированными станциями норвежской сети Norsar [https://www.norsar.no/extranet/bulletins/], и пьезоэлектромагнитыми импульсами можно оценить по АЧХ импульсной компоненты электромагнитного поля (рис. 4б, 4г, 5а, 5б).

Хочется надеяться, что приведённые экспериментальные данные И.К. Э-М. П. заинтересуют исследователей, изучающих физические процессы, протекающие в нижней ионосфере Земли, и сейсмологов.

Литература

1. Ремизов Л.Т. Естественные радиопомехи. М.: Наука, 1985. С. 34.
2. Альперт Я.Л. Распространение электромагнитных волн и ионо­сфера. М.: Изд-во «Наука», 1972. С. 563.
3. Галахов А.А., Ахметов О.И. Комплекс аппаратуры для регистрации импульсной компоненты электромагнитного поля очень низкой частоты // Приборы и техника эксперимента. 2011. № 3. С. 136–142.
4. Галахов А.А., Ахметов О.И., Кириллов В.И. Регистрация ортогональных магнитных компонент импульсной составляющей электромагнитного поля ИНЧ/ОНЧ-диапазона на архипелаге Шпицберген // Приборы и техника эксперимента. 2013. № 6. С. 69–73.
5. Галахов А.А., Ахметов О.И., Кириллов В.И. Аналоговый анализатор спектра атмосфериков КНЧ/ОНЧ-диапазонов на программируемых интегральных схемах // Приборы и техника эксперимента. 2015. № 1. С. 146–150.
6. Галахов А., Косолапенко В., Ларченко А., Пильгаев С. Анализатор спектра поля атмосфериков на реконфигурируемых ПАИС Anadigm // Современная электроника. 2019. № 7. С. 62–66.
7. Галахов А.А., Ахметов О.И., Кириллов В.И. Особенности применения анализатора спектра атмосфериков в КНЧ/ОНЧ-диапазонах для мониторинга состояния волновода земля–ионосфера // Приборы и техника эксперимента. 2016. № 3. С. 109–113.
8. Галахов А.А., Ахметов О.И. Поперечный резонанс в высокоширотной части волновода земля–ионосфера во время солнечного затмения 20.03.2015 // Геомагнетизм и аэрономия. 2017. Т. 57. № 5. С. 664–669.
9. Галахов А. Анализатор спектра поля атмосфериков – инструмент изучения гелиогеофизической обстановки // Современная электроника. 2020. № 8. C. 30–34.
10. Галахов А. Влияние вспышки на Солнце на АЧХ поля атмосфериков (экспериментальные данные) // Современная электроника. 2021. № 6. C. 64–65.
11. Галахов А., Галкин А. Синхронная запись АЧХ поля атмосфериков на разнесённых по широте авроральных обсерваториях (экспериментальные данные) // Современная электроника. 2023. № 2. C. 60–63.
12. Галахов А. Поле атмосфериков на фоне сейсмической активности при различной геофизической обстановке (экспериментальные данные) // Современная электроника. 2024. № 5. C. 40–45.

© СТА-ПРЕСС, 2025