Метод локации молний и оценки параметров нижней ионосферы с помощью твик-атмосфериков

Приведен метод определения дистанции до источника излучения (молнии) и средней высоты нижней границы ионосферы вдоль трассы распространения в околоземном волноводе Земля-ионосфера. Метод основан на явлении интерференции между модами в спектрах твик-атмосфериков (твиков), наблюдающихся в ночное время...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2010
Hauptverfasser:	Швец, А.В., Горишняя, Ю.В.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України 2010
Schriftenreihe:	Радіофізика та електроніка
Schlagworte:	Распространение и рассеяние волн
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/105799
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Метод локации молний и оценки параметров нижней ионосферы с помощью твик-атмосфериков / А.В. Швец, Ю.В. Горишняя // Радіофізика та електроніка. — 2010. — Т. 15, № 2. — С. 63-70. — Бібліогр.: 23 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-105799
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1057992025-02-23T17:05:07Z Метод локации молний и оценки параметров нижней ионосферы с помощью твик-атмосфериков Метод локації блискавок і оцінки параметрів нижньої іоносфери за допомогою твік-атмосфериків A technique for lightning location and estimation of the lower ionosphere parameters using tweek-atmospherics Швец, А.В. Горишняя, Ю.В. Распространение и рассеяние волн Приведен метод определения дистанции до источника излучения (молнии) и средней высоты нижней границы ионосферы вдоль трассы распространения в околоземном волноводе Земля-ионосфера. Метод основан на явлении интерференции между модами в спектрах твик-атмосфериков (твиков), наблюдающихся в ночное время. С помощью предложенного метода определены дальности до источников (в диапазоне от 500 до 4 000 км) по ансамблю экспериментальных записей твиков, выполненных в Атлантическом и Индийском океанах. Получены оценки вариаций высоты нижней границы ионосферы, которые составили 5–6 км в течение ночи и 2–3 км на сезонном масштабе времени. Наведено метод визначення дистанції до джерела випромінювання (блискавки) та середньої висоти нижньої межі іоносфери вздовж траси поширення в навколоземному хвилеводі Земля-іоносфера. Метод ґрунтується на явищі інтерференції між модами у спектрах твік-атмосфериків (твіків), що спостерігаються у нічний час. За допомогою запропонованого методу визначено дистанції до джерел (у діапазоні від 500 до 4 000 км) за ансамблем експериментальних записів твіків, які були зроблені в Атлантичному та Індійському океанах. Одержано оцінки варіацій висоти нижньої межі іоносфери, які склали 5–6 км впродовж ночі та 2–3 км на сезонному масштабі часу. A technique for distance finding to the source of pulse radiation (lightning discharge) and the height of the Earth-ionosphere waveguide is described. The technique is based on the phenomenon of interference between waveguide modes in spectra of tweek-atmosferics (tweeks), which are observed at night. Using the proposed technique we have defined distances to sources (in the range from 500 to 4 000 km) for an ensemble of experimental records, performed in the Atlantic and Indian oceans. The obtained from the analysis the ionosphere height variations were 5–6 km overnight and 2–3 km on the seasonal time scale. 2010 Article Метод локации молний и оценки параметров нижней ионосферы с помощью твик-атмосфериков / А.В. Швец, Ю.В. Горишняя // Радіофізика та електроніка. — 2010. — Т. 15, № 2. — С. 63-70. — Бібліогр.: 23 назв. — рос. 1028-821X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/105799 537.874.37:550.388.2 ru Радіофізика та електроніка application/pdf Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Распространение и рассеяние волн Распространение и рассеяние волн
spellingShingle	Распространение и рассеяние волн Распространение и рассеяние волн Швец, А.В. Горишняя, Ю.В. Метод локации молний и оценки параметров нижней ионосферы с помощью твик-атмосфериков Радіофізика та електроніка
description	Приведен метод определения дистанции до источника излучения (молнии) и средней высоты нижней границы ионосферы вдоль трассы распространения в околоземном волноводе Земля-ионосфера. Метод основан на явлении интерференции между модами в спектрах твик-атмосфериков (твиков), наблюдающихся в ночное время. С помощью предложенного метода определены дальности до источников (в диапазоне от 500 до 4 000 км) по ансамблю экспериментальных записей твиков, выполненных в Атлантическом и Индийском океанах. Получены оценки вариаций высоты нижней границы ионосферы, которые составили 5–6 км в течение ночи и 2–3 км на сезонном масштабе времени.
format	Article
author	Швец, А.В. Горишняя, Ю.В.
author_facet	Швец, А.В. Горишняя, Ю.В.
author_sort	Швец, А.В.
title	Метод локации молний и оценки параметров нижней ионосферы с помощью твик-атмосфериков
title_short	Метод локации молний и оценки параметров нижней ионосферы с помощью твик-атмосфериков
title_full	Метод локации молний и оценки параметров нижней ионосферы с помощью твик-атмосфериков
title_fullStr	Метод локации молний и оценки параметров нижней ионосферы с помощью твик-атмосфериков
title_full_unstemmed	Метод локации молний и оценки параметров нижней ионосферы с помощью твик-атмосфериков
title_sort	метод локации молний и оценки параметров нижней ионосферы с помощью твик-атмосфериков
publisher	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
publishDate	2010
topic_facet	Распространение и рассеяние волн
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/105799
citation_txt	Метод локации молний и оценки параметров нижней ионосферы с помощью твик-атмосфериков / А.В. Швец, Ю.В. Горишняя // Радіофізика та електроніка. — 2010. — Т. 15, № 2. — С. 63-70. — Бібліогр.: 23 назв. — рос.
series	Радіофізика та електроніка
work_keys_str_mv	AT švecav metodlokaciimolnijiocenkiparametrovnižnejionosferyspomoŝʹûtvikatmosferikov AT gorišnââûv metodlokaciimolnijiocenkiparametrovnižnejionosferyspomoŝʹûtvikatmosferikov AT švecav metodlokacííbliskavokíocínkiparametrívnižnʹoííonosferizadopomogoûtvíkatmosferikív AT gorišnââûv metodlokacííbliskavokíocínkiparametrívnižnʹoííonosferizadopomogoûtvíkatmosferikív AT švecav atechniqueforlightninglocationandestimationofthelowerionosphereparametersusingtweekatmospherics AT gorišnââûv atechniqueforlightninglocationandestimationofthelowerionosphereparametersusingtweekatmospherics
first_indexed	2025-11-24T02:15:20Z
last_indexed	2025-11-24T02:15:20Z
_version_	1849636181237563392
fulltext	__________ ISSN 1028–821X Радиофизика и электроника, 2010, том 15, № 2, с. 63–70 © ИРЭ НАН Украины, 2010 УДК 537.874.37:550.388.2 МЕТОД ЛОКАЦИИ МОЛНИЙ И ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ НИЖНЕЙ ИОНОСФЕРЫ С ПОМОЩЬЮ ТВИК-АТМОСФЕРИКОВ А. В. Швец, Ю. В. Горишняя Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины 12, ул. Ак. Проскуры, Харьков, 61085, Украина E-mail: a_shvets@ire.kharkov.ua Приведен метод определения дистанции до источника излучения (молнии) и средней высоты нижней границы ионо- сферы вдоль трассы распространения в околоземном волноводе Земля-ионосфера. Метод основан на явлении интерференции меж- ду модами в спектрах твик-атмосфериков (твиков), наблюдающихся в ночное время. С помощью предложенного метода определе- ны дальности до источников (в диапазоне от 500 до 4 000 км) по ансамблю экспериментальных записей твиков, выполненных в Атлантическом и Индийском океанах. Получены оценки вариаций высоты нижней границы ионосферы, которые составили 5–6 км в течение ночи и 2–3 км на сезонном масштабе времени. Ил. 7. Библиогр.: 23 назв. Ключевые слова: локация молний, волновод Земля-ионосфера, мониторинг нижней ионосферы. Разряд молнии является источником электромагнитного излучения в широком диапа- зоне частот. Максимум спектральной плотности излучения приходится на диапазоны сверхнизких частот (СНЧ) 3…3 000 Гц и очень низких ча- стот (ОНЧ) 3…30 кГц. Электромагнитный им- пульс, излученный молнией в данных частотных диапазонах, может распространяться вдоль зем- ной поверхности на расстояния до десятков тысяч километров за счет волноводного механизма рас- пространения в полости Земля-ионосфера. Им- пульсные сигналы от молний, распространяющи- еся внутри полости Земля-ионосфера, называются атмосфериками и используются как для локации молний, так и для исследования эффектов рас- пространения СНЧ-ОНЧ-радиоволн. Верхней границей волновода, от которой отражаются СНЧ-ОНЧ-радиоволны, служит область нижней ионосферы на высотах 60…90 км с низкой кон- центрацией заряженных частиц (10 6 …10 9 м –3 ). Данная область ионосферы является важным элементом в цепочке воздействия явлений косми- ческой погоды на окружающую среду, однако непрерывный мониторинг ее состояния вызывает существенные трудности при использовании станций ионосферного зондирования и других средств. В связи с этим получили распростране- ние методы исследования с помощью радиопро- свечивания волновода Земля-ионосфера радио- волнами ОНЧ-радиостанций, а также с использо- ванием СНЧ-ОНЧ-излучений, возбуждаемых раз- рядами молний. В дневное время атмосферик формирует- ся, как правило, волнами, распространяющимися под скользящими углами к границам волновода. В ночное время, вследствие повышения нижней границы ионосферы и соответствующего умень- шения потерь вней, наблюдаются сигналы так называемых твик-атмосфериков, или твиков, в формировании которых существенную роль иг- рают волны, падающие на ионосферу под круты- ми углами [1]. Сигналы твиков можно различить на слух, подключив громкоговоритель к выходу антенного усилителя приемника, как короткие мелодичные звуки спадающего тона. Твики отли- чаются от обычных атмосфериков, регистрируе- мых в дневное время, большей длительностью (10…150 мс). Исследованиям твик-атмосфериков по- священо достаточно публикаций [1–11]. Исполь- зование модели волновода с изотропными прово- дящими стенками позволило удовлетворительно объяснить дисперсионные свойства твиков. В ра- боте [12] твики интерпретировались как резо- нансные колебания в поперечном сечении плос- кого бесконечного резонатора Земля-ионосфера. На этой основе были получены оценки проводи- мости нижней ионосферы путем измерения пара- метров пика на резонансной частоте в спектре твика. Тем не менее необычно слабое затухание при распространении твиков вблизи критических частот волновода, приводящее к появлению «хво- стов» в твиках, удалось объяснить, только при- нимая во внимание магнитоактивные свойства ионосферной плазмы [13]. В работах [9, 14–16] было показано, что поляризация «хвостовой» ча- сти твиков – левая, близкая к круговой. На осно- вании данного свойства в работе [15] получены оценки электронной концентрации в окрестности высоты отражения ОНЧ-радиоволн по результа- там анализа твиков. Пример экспериментальной записи трех компонент поля твика приведен на рис. 1, а. Кро- ме вертикальной электрической компоненты (Ez) и горизонтальной магнитной, перпендикулярной к направлению распространения твика (Hφ), в поле присутствует продольная магнитная компо- нента (Hρ), появление которой обусловлено ани- зотропией верхней стенки волновода. Можно ви- деть, что головная часть твика ( < 0,5 мс) линей- mailto:a_shvets@ire.kharkov.ua А. В. Швец, Ю. В. Горишняя / Метод локации молний… _________________________________________________________________________________________________________________ 64 но поляризована, поскольку представлена только в поперечной компоненте поля. Данное обстоя- тельство используется для определения азимута источника [17]. За счет волн, распространяющих- ся под крутыми углами к границам волновода, в спектрах компонент поля твиков (рис. 1, б) наблюдаются составляющие в областях, близких к частотам отсечки, которые отмечены верти- кальными линиями. В координатах время-частота (на сонограмме, рис. 1, в) твик выглядит в виде короткой широкополосной головной части, кото- рая со временем «распадается» на несколько уз- ко-полосных ветвей, убывающих по частоте и приближающихся асимптотически к критическим частотам волновода Земля-ионосфера. По спектру «хвостовой» части твика можно оценить частоты отсечки, однако точность таких оценок ограниче- на вследствие существенного затухания сигнала вблизи этих частот. Поэтому для получения более точных оценок необходим учет частотной дис- персии в сигнале, которая определяется расстоя- нием до источника и высотой волновода. ___________________________________________ С п е к тр а л ь н а я п л о т н о с ть , о т н . е д . 0,0 0,5 0,0 0,5 0,0 0,5 0,0 1,0 –1,0 0,0 0,5 – 0,5 0,5 0 2 4 6 8 τ, мс – 0,5 1 2 3 1 2 3 0,0 0 2 4 6 8 10 f, кГц А м п л и ту д а , о т н . е д . p  1 p  2 p  3 0 2 4 6 8 101214 , мс 2 6 10 14 2 6 10 14 Ч а с т о т а к Г ц 2 6 10 14 0 2 4 6 8 10 12 14 τ, мс 14 10 6 2 14 10 6 2 14 10 6 2 Ч ас то та , к Г ц а) б) в) Рис. 1. Волновые формы (а), спектры (б) и сонограммы (в) вертикальной электрической Ez (кривая 1), поперечной H (кривая 2) и продольной H (кривая 3) магнитных компонент поля твик-атмосферика ___________________________________________ Мгновенная частота в отдельной ветви (моде) меняется со временем в соответствии со следующей зависимостью в приближении плос- кого бесконечного волновода с идеально прово- дящими границами [7, 11]: , 11 )( 2         r c f f cp p   (1) где время  отсчитывается от момента прихода атмосферика в точку наблюдения; fcp  cp/2h – критическая частота p-й моды ( p  1, 2, 3…); c – скорость света в вакууме; r – дистанция до источ- ника; h – высота нижней границы ионосферы. Выражение (1) является основой методов определения дистанции до источника и высоты волновода по сонограмме твика [1, 7, 8]. Требо- вания получения одновременно высокого разре- шения по частоте и по времени ограничивают точность данных методов. В работах [17, 18] предложен метод определения дистанции до ис- точника и высоты волновода («харьковский» ме- тод [19]) по фазовому спектру продольной маг- нитной компоненты поля для 1-й моды, получен- ному по результатам трехкомпонентных измере- ний твиков. Это позволило уменьшить ошибку определения дистанции до источника приблизи- тельно до 5 % [19]. В настоящей работе рассмотрен метод, основанный на свойствах интерференции нулевой и 1-й мод в спектрах твиков, и выполнен анализ накопленного ансамбля данных. 1. Метод модовой интерференции для определения высоты волновода и дистанции до источника. Наиболее существенной пробле- мой в «харьковском» методе является точное определение начала атмосферика, т. е. момента его прихода в пункт наблюдения, определяющего вид фазового спектра. Поэтому вместо фазового спект-ра в предлагаемой методике рассматрива- ются положения минимумов и максимумов в ам- плитудном спектре твика, возникающих за счет интерференции нулевой и 1-й мод в диапазоне частот между частотами отсечки 1-й и 2-й мод. Положения экстремумов на частотной оси опре- А. В. Швец, Ю. В. Горишняя / Метод локации молний… _________________________________________________________________________________________________________________ 65 деляются разностью фаз между типами колеба- ний и не зависят от точности определения начала атмосферика. Комплексную амплитуду спек- тральной плотности поля можно представить в виде суммы двух мод ,))(exp(1)( )()()( 01 0 1 00 1100         SSikr a a ikrSa ikrSaikrSaA  (2) где i  ;1 k  c  – волновое число для свобод- ного пространства;  – угловая частота; r – рас- стояние до источника; c – скорость света в вакуу- ме; S0, S1 и a0, a1 – синусы собственных углов и амплитуды нулевой и 1-й мод соответственно. Предполагая, что частотные зависимости амплитуд a0() и a1() являются достаточно гладкими в рассматриваемом частотном диапа- зоне, из формулы (2) можно получить частоты минимумов и максимумов в амплитудном спек- тре )(A , возникающие, когда разность фаз меж- ду нулевой и 1-й модами [18]  01Re SSkr  (3) становится равной (2n – 1), n  1,2,… или 2n, n  0,1,… для условия минимума или максимума соответственно. Мы рассматриваем интерференцию меж- ду нулевой и 1-й модами в спектре твика для слу- чая плоского волновода с идеально проводящими границами, что является достаточно точным при- ближением волновода Земля-ионосфера для ди- станций до нескольких тысяч километров. Синус угла нулевой моды принят равным S0  1 как для плоской TEM-волны, распространяющейся па- раллельно границам волновода. В данном случае ,1,1 2 1 10        f f SS c (4) где fc1  c/2h – первая частота отсечки; h – высота ионосферы; f – частота волны. Тогда разность фаз между этими модами (3) равна ).1( 1  Sf c   (5) Используя выражения (4) и (5), можно найти частоту n-го минимума в спектре: . 4 )12( )12( 2 1 r cn cn rf f c n     (6) Подстановка выражения для частоты от- сечки в формулу (6) дает следующее соотноше- ние, связывающее частоту n-го минимума с высо- той волновода и дальностью до источника: . 4 )12( )12(4 2 r cn hn cr fn     (7) Полученная зависимость имеет минимум, в общем случае, при нецелом значении: . 22 1 min h r n  (8) Частота, соответствующая nmin, равна ча- стоте отсечки 1-й моды .)( 1min cn fnf  (9) Таким образом, полное количество ин- терференционных минимумов в спектре твика, возникающих за счет взаимодействия нулевой и 1-й мод, зависит только от одной переменной – отношения дистанции до источника к высоте волновода. Необходимо отметить, что выраже- ние (8) дает формальное основание для способа оценки дистанции путем подсчета полного коли- чества вариаций в спектре твика, предложенного в «харьковской» методике [17]. Метод определения дистанции путем подсчета полного количества вариаций в спектре атмосфериков за счет интерференции между дву- мя соседними модами имеет простой физический смысл, однако ряд особенностей ограничивают его точность. В случае интерференции между нулевой и 1-й модами можно выделить два таких фактора. Первый фактор – трудность определения количества вариаций в области частот выше ча- стоты отсечки 2-й моды, где взаимодействуют уже более двух мод, а частоты первых миниму- мов могут лежать в достаточно высокочастотной области. Так, например, при h  90 км и r   3 000 км частота первого минимума f1 в соот- ветствии с формулой (7) близка к 30 кГц. Второй фактор – трудность определения количества вариаций вблизи частоты отсечки 1-й моды, где ширина таких вариаций сужается, в особенности для значительно удаленных источ- ников, и, вследствие ограниченного частотного разрешения, некоторые вариации могут быть не учтены. Так, при параметрах, использованных в предыдущей оценке, согласно формулам (7), (8) расстояние между ближайшими к частоте отсечки минимумами составляет около 50 Гц. Такой раз- нос по частоте близок к частотному разрешению спектра атмосферика, длительность которого со- ставляет несколько десятков миллисекунд. Для преодоления указанных ограничений предлагается использовать диапазон между ча- стотами отсечки 1-й и 2-й мод. Пусть f1   fc1; f2   fc1;  >  ≥ 1, где f1 и f2 – значения частот первого и последнего уве- ренно определяемых минимумов в спектре. Тогда разность фаз между данными частотами, опреде- ляемая взаимодействием нулевой и 1-й мод, из формулы (5) равна А. В. Швец, Ю. В. Горишняя / Метод локации молний… _________________________________________________________________________________________________________________ 66  .)1)(()1)(( 2 111212 1212   fSffSfr c   (10) Из формулы для критической частоты 1-й моды, полагая косинус модального угла C1  fc1/f, получим количество вариаций в задан- ном частотном диапазоне: .11 22 2212 12            h r n (11) Таким образом, модифицированная ме- тодика определения дистанции сводится к следу- ющему: – по спектру «хвостовой» части атмосферика определяется частота отсечки 1-й моды и, соот- ветственно, высота отражения от ионосферы; – в диапазоне частот f > fc1 выбирается и под- считывается уверенно определяемое количество вариаций в спектре атмосферика n12; – определяются частоты первого и последне- го минимумов f1, f2 и коэффициенты  и ; – полученные величины подставляются в формулу (11), из которой находится дистанция r. В данной методике оценки дистанции необходимо привлечение независимой оценки высоты волновода. Однако рассмотренная модель позволяет оценить оба параметра: высоту волно- вода и дистанцию. Определение номера минимума в спек- тре n в формуле (3) может быть затруднено, о чем мы говорили ранее, за счет ограниченной поло- сы и частотного разрешения спектров, а также влияния высших мод. Для исключения n будем рассматривать условия (3) для минимумов и максимумов, наблюдающихся в диапазоне меж- ду первой и второй частотами отсечки. Для лю- бой пары экстремумов выполняется следующее соотношение: ,221 m  (12) где m – количество вариаций в амплитудном спектре между выбранными максимумами или минимумами. Для определения искомых параметров r и h решается обратная задача на основе метода наименьших квадратов путем минимизации сле- дующего функционала:        ,2),( 1 1 1 2      l i l ij ij ijffhrF  (13) где l – количество минимумов или максимумов в рассматриваемом частотном диапазоне; fi и fj – частоты экстремумов, определяемые из измерен- ных спектров. Примеры волновой формы и спектра мощности электрической компоненты твика представлены на рис. 2. Данная запись произве- дена в точке с координатами 9,75° в. д., 21,1° ю. ш., 22 января 1991 г. в 2 ч 2 мин 6 с универсального времени. Вертикальными линиями отмечены по- ложения максимумов и минимумов, полученные при решении обратной задачи, расположение ко- торых на оси частот отвечает следующим пара- метрам: h  90 км (fc1  1,667 кГц); r  2070 км. 0 5 10 15 20 t, мс 0 1000 E z ( t) а) 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 f, кГц 0 1 2 3 \|E z ( f) \|2 , , , , , б) Рис. 2. Волновая форма вертикальной электрической компо- ненты твика (а) и ее спектр мощности (б) 2. Аппаратура и условия проведения измерений. Записи вертикальной электрической и двух взаимно ортогональных горизонтальных магнитных компонент проводились в акваториях Индийского и Атлантического океанов на борту научно-исследовательского судна (НИС) «Акаде- мик Вернадский» в течение 42-го рейса с февраля по апрель 1991 г. Пункты маршрута, в которых были сделаны записи волновых форм атмосфери- ков, приведены на рис. 3. Вертикальная электрическая компонента поля принималась с помощью «шаровой» антен- ны [20]. Для приема горизонтальных магнитных компонент использовались воздушные экраниро- ванные рамочные антенны, ориентированные таким образом, что компонента Hy была направ- лена в сторону носа, а Hx – в сторону правого борта судна. Антенные усилители обеспечивали 1000 0 0 5 10 15 20 t, мс E z( t) 3 2 1 0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 f, кГц  E z( f ) 2 А. В. Швец, Ю. В. Горишняя / Метод локации молний… _________________________________________________________________________________________________________________ 67 плоские амплитудно-частотные и линейные фазо- частотные передаточные характеристики по полю как для электрического, так и для магнитных ка- налов. С этой целью для усиления сигнала с маг- нитной антенны использовался усилитель то- ка [11], что позволило получить на его выходе напряжение, прямо пропорциональное напряжен- ности падающего поля в рабочей полосе частот. -30 0 30 21.01 22.01 01.02 08.02 10.02 14.02 15-02 24.02 05.04 08.04 10.04 11.04 13.04 14.04 Долгота, град. -20 10 40 70 10 0 Ш и р о та , гр а д . Долгота, ° Ш и р о т а , ° Рис. 3. Пункты маршрута НИС «Академик Вернадский», в которых проводились записи волновых форм атмосфериков в январе, феврале и апреле 1991 г. Сигналы трех компонент с выхода ан- тенных усилителей фильтровались в полосе 0,3…13 кГц и затем синхронно оцифровывались 12-разрядными аналого-цифровыми преобразова- телями с частотой дискретизации 100 кГц. Вол- новые формы длительностью 40,96 мс, записан- ные в цифровое буферное устройство, после ви- зуальной оценки оператором передавали через параллельный порт в память компьютера «Элект- роника-85» и сохраняли в виде файлов данных на жестком диске [11]. Банк данных состоит из циф- ровых записей волновых форм твиков, выполнен- ных в основном в ночное время в различных точ- ках маршрута судна. Каждая серия наблюдений включала 16 волновых форм трех компонент по- ля, записанных в течение 5–10-мин интервала. После отбора подходящих для анализа записей полное количество реализаций составило 220 в 19 сериях измерений. 3. Вариации высоты ионосферы, полу- ченные по измерениям твиков. Поскольку из- мерения проводились отдельными сериями в те- чение почти трех месяцев, весь ансамбль данных был разбит на две основные группы. Первая группа включает записи, выполненные в течение летних (для южного полушария) месяцев с 21 января по 24 февраля 1991 г. Соответствую- щий участок маршрута судна протянулся от юго- западного побережья Африки до Яванского моря. Вторая группа записей была получена в Гвиней- ском заливе с 6 по 14 апреля (см. рис. 3), что со- ответствует периоду равноденствия. Вариации высоты отражения от нижней ионосферы (далее – высоты ионосферы) в зави- симости от солнечного зенитного угла Z в ночных условиях, полученные на основе результатов ана- лиза ансамбля записей твиков, представлены на рис. 4. 100 120 140 160 Z, o 80 85 90 95 100 h , к м 0 4 8 K p Рис. 4. Вариации высоты нижней ионосферы в течение ночи: полые квадраты – летний (21 января – 15 февраля) сезон; круж- ки – осенний (6 –14 апреля); черные квадраты – 24 февраля Как видно из графика, для обоих перио- дов измерений наблюдается положительный тренд высоты ионосферы в течение ночи при уве- личении солнечного зенитного угла. В диапазоне изменения солнечного зенитного угла от 105° до 167° вариации высоты составляют около 4 км, что можно оценить по линейным регрессиям, рассчи- танным для соответствующих групп данных. Мы видим также, что сохраняя положительный тренд в обоих случаях, в течение летних месяцев нижняя граница ионосферы находится выше, чем в период, близкий к равноденствию. Эта разница в среднем составляет 2…2,5 км. Три точки на графике, пока- занные черными квадратами, выпадают из общей тенденции и выделены в отдельную группу. Все они соответствуют измерениям, выполненным в течение одной ночи (24 февраля) в Яванском море вблизи островных территорий с гористым ланд- шафтом, что может частично объяснить уменьше- ние эффективного поперечного размера волновода на трассах, проходящих через горы. Анализ геомагнитной ситуации показал, что измерения выполнялись в относительно спо- койных условиях. Как можно видеть на рис. 4, 3-ч планетарный Kp-индекс, значения которого, соответствующие моментам измерений, приведе- ны в нижней части графика, не превышал 4, за исключением одного случая. Для проверки значимости полученных за- висимостей высоты ионосферы от солнечного зе- –20 10 40 70 100 Долгота,  30 –30 0 Ш и р о та ,  95 90 85 80 100 120 140 160 Z,  h , к м K p 8 4 0 А. В. Швец, Ю. В. Горишняя / Метод локации молний… _________________________________________________________________________________________________________________ 68 нитного угла мы протестировали две другие воз- можные причины возникновения вариаций высоты ионосферы, измеряемой по сигналам твиков, – зависимости высоты от азимута прихода твиков и от дистанции до источника. Первая причина мо- жет быть связана с вариациями высоты, в зависи- мости от ориентации трассы распространения по отношению к линии терминатора. Вторая может быть вызвана систематической ошибкой метода. Взаимное влияние определяемых пара- метров, таких как высота отражения и дистанция до источника, может быть оценено из следующих соображений. При движении от частоты отсечки в сторону увеличения частоты из выражений (3), (5) следует, что разность фаз, используемая для решения обратной задачи, определяется только отношением искомых параметров r/h 2 : ., 4 2 1 2 2 cff h r f c    (14) Из этого следует важность наличия в сигнале компонент с частотами вблизи частоты отсечки волновода, что наблюдается в твиках. В дневных условиях за счет увеличения затухания в спектрах атмосфериков отсутствуют составляю- щие вблизи частоты отсечки. Исключение со- ставляют атмосферики от ближних молний на расстояниях до нескольких десятков километров, для которых можно наблюдать резонансные пики в спектре [21]. Это обстоятельство делает невоз- можным раздельное определение высоты отраже- ния и дистанции с помощью методик, основан- ных на дисперсионных свойствах атмосфериков. Статистические зависимости высоты от- ражения от дистанции и азимута приведены на рис. 5, а, б. Наклоны линий линейной регрессии, найденные по этим данным, равны соответствен- но –0,003 км/° и 1,0 км/Мм. Полные диапазоны изменений азимутов и дистанций для ансамбля записей твиков можно оценить из их статистических зависимостей от солнечного зенитного угла, представленных на рис. 5, в, г, по величине полного размаха трендов на полном диапазоне изменения Z. По этим гра- фикам можно определить, что эти диапазоны со- ставляют 40° и 0,6 Мм соответственно. Таким образом, максимальные изменения высоты ионо- сферы в зависимости от азимута и дистанции до источника могут составлять 0,12 и 0,6 км, что существенно меньше вариаций, зависящих от солнечного зенитного угла. Для сравнения полученных из анализа твиков вариаций параметров нижней ионосферы с данными, предсказываемыми известными моде- лями ионосферы, используем оценки электронной плотности в области отражения ОНЧ-волн, полу- ченные в работах [15, 16]. Электронная концент- рация на высоте отражения левополяризованных волн, формирующих «хвостовую» часть твика, вблизи первой частоты отсечки волновода Земля- ионосфера имеет величину около 3·10 7 м –3 , кото- рая возрастает на порядок на высотном масштабе около 2 км. 0 1 2 3 4 Дистанция, Мм 80 85 90 95 100 В ы со та , к м 0 90 180 270 360 Азимут, o 80 85 90 95 В ы с о т а , к м а) б) 100 120 140 160 Z, o 0 1 2 3 4 Д и с т а н ц и я , М м 100 120 140 160 Z, o 0 90 180 270 360 А зи м у т, o в) г) Рис. 5. Статистические зависимости, определяющие возмож- ные систематические ошибки метода Результаты сравнения с моделью IRI-95 приведены на рис. 6, а, где штриховыми линиями показаны участки экспоненциальных профилей, которые получены из анализа многомодовых тви- ков для моментов времени, близких к полуночи и к заходу Солнца. Как можно видеть в модели IRI-95, вы- сота, соответствующая плотности электронов 3·10 7 м –3 , изменяется в течение ночи приблизи- тельно на 4…5 км, что находится в согласии с нашими результатами, однако средняя высота для данной концентрации в модели значительно ниже. Подобное несоответствие отмечалось в работе [22], в которой были предложены коррек- ции модели IRI-95 (FIRI) на основе измерений фарадеевского вращения радиосигналов КВ-пере- датчиков, установленных на ракетах, а также в работе [23] по результатам анализа распростране- ния ОНЧ-сигналов навигационных станций. Предложенные в упомянутых работах коррекции модели IRI предполагают, что уровень с электронной плотностью порядка 3·10 7 м –3 находится на высоте 86 км, что достаточно близ- ко к нашим оценкам, вместо высоты 80 км, про- гнозируемой моделью IRI-95 (рис. 6, б). В ы со та , к м В ы со та , к м А зи м у т,  Д и ст ан ц и я , М м 0 1 2 3 4 Дистанция, Мм 95 90 85 80 100 95 90 85 80 100 120 140 160 Z,  100 120 140 160 Z,  0 90 180 270 360 Азимут,  4 3 2 1 0 360 270 180 90 0 А. В. Швец, Ю. В. Горишняя / Метод локации молний… _________________________________________________________________________________________________________________ 69 Ne, ì _ 3 80 85 90 95 h, к м 106 107 109108 2 1 2 1 а) Ne, ì _ 3 80 85 90 95 h, к м 106 107 108 109 2 1 2 1 б) Рис. 6. Вариации электронной плотности для солнечного зе- нитного угла Z от 105° (линия 1) до 170° (линия 2), получен- ные из анализа твиков (– – –), и профили, прогнозируемые моделями ионосферы (–––) IRI-95 (а) и FIRI (б) 4. Распределение высот отражения от нижней ионосферы. По результатам локации молний с одновременным определением эффек- тивной высоты волновода по серии записей тви- ков, сделанных за достаточно малый промежуток времени, можно построить пространственное рас- пределение высот отражения в нижней ионосфере. Построение такого распределения пока- зано далее на примере серии из 14 записей твиков, выполненных в южной оконечности Гвинейского залива 22 января 1991 г. за период с 1 ч 57 мин до 2 ч 7 мин универсального времени. Координа- ты приемника 9,8 в. д., 21,1 ю. ш. По описанной выше методике определялись координаты источ- ника (молниевого разряда) и средняя высота вол- новода вдоль трассы распространения твик- атмосферика. Значения высот волновода припи- сывались точкам середины трассы для каждого твика. По полученным данным построена карта распределения высот волновода (рис. 7), где тре- угольниками отмечены координаты середин трасс распространения и приведены линии постоянных значений солнечного зенитного угла в градусах. Вариации высоты показаны градуировкой серого цвета. Выводы. Разработана модификация «харьковской» методики оценки высоты нижней границы ионосферы и дистанции до источника излучения, которая основана на явлении модовой интерференции в спектрах твик-атмосфериков. На основе анализа твик-атмосфериков по- казано, что в ночное время при изменении зенит- ного угла Солнца в пределах 105°…167° (суточные вариации) высота нижней ионосферы увеличива- ется на 4…5 км. Сравнение данных, полученных в летнее время и в период, близкий к осеннему равноденствию (сезонные вариации), показало повышение нижней границы ионосферы в летнее время в среднем на 2 км. Рис. 7. Вариации высоты ионосферы, вычисленные по серии записей твик-атмосфериков Полученные результаты в основном со- гласуются с эффектами суточных и сезонных из- менений, прогнозируемых современными моделя- ми нижней ионосферы. Наши оценки показали, что высота, соответствующая уровню электронной концентрации ~ 3·10 7 …3·10 8 м –3 , выше на 5…6 км по сравнению с моделью IRI-95 и близка к высоте, предсказываемой усовершенствованной моделью нижней ионосферы FIRI. Продемонстрирована возможность полу- чения пространственных распределений высот отражения СНЧ-радиоволн от нижней ионосферы при помощи анализа твик-атмосфериков. 91 90 89 88 87 86 14 15 16 17 18 19 20 21 22 3 4 5 6 Долгота,  Ш и р о та ,  95 90 85 80 106 107 108 109 h , к м Ne,i 3 2 1 1 2 95 90 85 80 106 107 108 109 h , к м Ne,i 3 1 2 1 2 А. В. Швец, Ю. В. Горишняя / Метод локации молний… _________________________________________________________________________________________________________________ 70 1. Ohtsu J. Numerical study of tweeks based on wave-guide mode theory / J. Ohtsu // Proc. Res. Inst. Atmos. Nagoya Univ. – 1960. – 7. – P. 58–71. 2. Cummer S. A. Lightning and ionospheric remote sensing using VLF/ELF radio atmospherics: Ph. D. dissertation / S. A. Cum- mer; Department Electrical Engineering of Stanford Universi- ty. – Stanford, 1997. – 127 p. 3. Cummer S. A. Ionospheric D-region remote sensing using VLF radio atmospherics / S. A. Cummer, U. S. Inan, T. F. Bell // Radio Science. – 1998. – 33, N 6. – P. 1781–1792. 4. Cummer S. A. Modelling electromagnetic propagation in the Earth-ionosphere waveguide / S. A. Cummer // IEEE Trans. Ant. Prop. – 2000. – 48, N 9. – P. 1420–1429. 5. Recent findings on VLF/ELF spherics / M. Hayakawa, K. Ohta, S. Shimakura, K. Baba // J. Atmos. Terr. Phys. – 1995. – 57, N 5. – P. 467–477. 6. Yamashita M. Some considaration of the polarization error in direction finding of atmospherics-I. Effect of the Earth's mag- netic field / M. Yamashita, K. Sao // J. Atmos. Terr. Phys. – 1974. – 36. – P. 1623–1632. 7. Yano S. Wave-form analysis of tweek atmospherics / S. Yano, T. Ogawa, H. Hagino // Res. Lett. Atmos. Electr. – 1989. – 9. – P. 31–42. 8. Yano S. Dispersion Characteristics and Waveform Analysis of Tweek Atmospherics / S. Yano, T. Ogawa, H. Hagino // Envi- ronmental and Space Electromagnetics / ed. by H. Kikuchi. – Tokyo: Springer-Verlag, 1991. – P. 227–236. 9. Experimental investigation of the tweek field structure / D. Ye. Yedemsky, B. S. Ryabov, A. Yu. Shchokotov, V. S. Yarotsky // Adv. Space Res. – 1992. – 12, N 6. – P. 251– 254. 10. Рафальский В. А. Резонансные явления в поперечном сечении промежутка Земля-ионосфера и их влияние на возбуждение и распространение радиоволн: дис. …канд. физ.-мат. наук / В. А. Рафальский; РИАН Украины. – Х:, 1991. – 112 с. 11. Швец А. В. Экспериментальное исследование распростра- нения СНЧ-СДВ атмосфериков и динамика мировой гро- зовой активности: дис. …канд. физ.-мат. наук / А. В. Швец; ХГУ. – Х:, 1994. – 153 с. 12. Михайлова Г. А. Тонкая частотно-временная структура ат- мосфериков типа «твики» и ОНЧ диагностика параметров ночной нижней ионосферы / Г. А. Михайлова, О. В. Капу- стина // Геомагнетизм и Аэрономия. – 1988. – 28, № 6. – C. 1015–1018. 13. Yamashita M. Propagation of tweek atmospherics / M. Yama- shita // J. Atmos. Terr. Phys. – 1978. – 40. – P. 151–156. 14. Hayakawa M. Wave characteristics of tweek atmospherics deduced from the direction-finding measurement and theoreti- cal interpretation / M. Hayakawa, K. Ohta, K. Baba // J. Ge- ophys. Res. – 1995. – 99, N D5. – P. 10733–10743. 15. Shvets A. V. Polarization effects for tweek propagation / A. V. Shvets, M. Hayakawa // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. – 1998. – 60, N 4. – P. 461–469. 16. Швец А. В. О поляризационных свойствах твиков / А. В. Швец // Радиофизика и электрон.: сб. научн. тр. / Ин-т радиофизики и электрон. НАН Украины. – Х., 1997. – 2, № 2. – С. 101–106. 17. A time domain direction finding technique for locating wide band atmospherics / A. P. Nickolaenko, V. A. Rafalsky, A. V. Shvets, M. A. Hayakawa // J. Atmos. Electricity. – 1994. – 14, N 1. – P. 97–107. 18. Rafalsky V. A. One-site distance-finding technique for loca- ting lightning discharges / V. A. Rafalsky, A. V. Shvets, M. Hayakawa // J. Atmos. Terr. Phys. – 1995. – 57, N 11. – P. 1255–1761. 19. Brundell J. B. Validation of single station lightning location technique / J. B. Brundell, C. J. Rodger, R. L. Dowden // Ra- dio Sci. – 2002. – 37, N 4. – P. 1059–1067. 20. Observations of natural ELF and VLF electromagnetic noises by using the ball antennas / T. Ogawa, Y. Tanaka, Т. Miura, M. Yasuhara // J. Geomagnet. Geoelectricity. – 1966. – 18, N 4. – P. 443–454. 21. Shvets A. V. Characteristics of Nearby Discharges Observed at Singapore / A. V. Shvets, A. P. Nickolaenko, M. Hayakawa // J. Atmos. Solar Terr. Phys. – 1997. – 59, N 14. – P. 1717–1726. 22. Friedrich M. FIRI: A semiempirical model of the lower ionosphere / M. Friedrich, K. M. Torkar // J. Geophys. Res. – 2001. – 106, N A10. – P. 21 409–21 418. 23. Иванов И. В. Некоторые результаты корректировки моде- лей нижней ионосферы по результатам эксперименталь- ных исследований / И. В. Иванов, В. Н. Кузнецов // Рас- пространение радиоволн километрового диапазона / под ред. М. И. Белоглазова – Апатиты: Изд-во Кольского фи- лиала АН СССР, 1987. – C. 5–7. A TECHNIQUE FOR LIGHTNING LOCATION AND ESTIMATION OF THE LOWER IONOSPHERE PARAMETERS USING TWEEK-ATMOSPHERICS A. V. Shvets, Yu. V. Gorishnya A technique for distance finding to the source of pulse radiation (lightning discharge) and the height of the Earth- ionosphere waveguide is described. The technique is based on the phenomenon of interference between waveguide modes in spectra of tweek-atmosferics (tweeks), which are observed at night. Using the proposed technique we have defined distances to sources (in the range from 500 to 4 000 km) for an ensemble of experimental records, performed in the Atlantic and Indian oceans. The obtained from the analysis the ionosphere height variations were 5–6 km overnight and 2–3 km on the seasonal time scale. Keywords: lightning location, Earth-ionosphere wave- guide, lower ionosphere monitoring. МЕТОД ЛОКАЦІЇ БЛИСКАВОК І ОЦІНКИ ПАРАМЕТРІВ НИЖНЬОЇ ІОНОСФЕРИ ЗА ДОПОМОГОЮ ТВІК-АТМОСФЕРИКІВ О. В. Швець, Ю. В. Горішня Наведено метод визначення дистанції до джерела випромінювання (блискавки) та середньої висоти нижньої межі іоносфери вздовж траси поширення в навколоземному хвилеводі Земля-іоносфера. Метод ґрунтується на явищі інтер- ференції між модами у спектрах твік-атмосфериків (твіків), що спостерігаються у нічний час. За допомогою запропонова- ного методу визначено дистанції до джерел (у діапазоні від 500 до 4 000 км) за ансамблем експериментальних записів твіків, які були зроблені в Атлантичному та Індійському океа- нах. Одержано оцінки варіацій висоти нижньої межі іоносфе- ри, які склали 5–6 км впродовж ночі та 2–3 км на сезонному масштабі часу. Ключові слова: локація блискавок, хвилевід Земля- іоносфера, моніторинг нижньої іоносфери. Рукопись поступила 12 января 2010 г.

Метод локации молний и оценки параметров нижней ионосферы с помощью твик-атмосфериков

Institution

Ähnliche Einträge