Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Физико-математические науки
Радиофизика

Диссертационная работа:

Беляев Геннадий Геннадиевич. Вариации УНЧ-КНЧ полей, вызванные мощными взрывами и сейсмической активностью : Дис. ... канд. физ.-мат. наук : 01.04.03 : Москва, 2003 170 c. РГБ ОД, 61:04-1/110-5

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Введение 4

Глава 1. Анализ естественных УНЧ - КНЧ излучений по

результатам наблюдений на станциях Лехта (Карелия) и
Карымпшно (Камчатка) 13

1.1. Введение 13

  1. Естественные регулярные НЧ излучения 14

  2. Индуцированные НЧ излучения 15

  3. Грозовые источники КНЧ излучений 16

1.2. Движение мировой грозовой активности по анализу
трехкомпонентных измерений в диапазоне шумановских

резонансов на станции Лехта (Карелия) 18

  1. Пункт наблюдения и аппаратура 18

  2. Методика анализа данных 29

  3. Результаты обработки экспериментальных данных 35

  4. Определение дистанции до распределенного

источника МГА 42

1.3. Анализ УНЧ-КНЧ излучений, связанных с

магнитосферно-ионосферными источниками

на станции Карымпшно (Камчатка) 48

  1. Место наблюдения и аппаратура 48

  2. Анализ УНЧ-КНЧ фона на станции Карымшино 54

1.4. Выводы 58

Глава 2. Наблюдения индуцированных КНЧ излучений от взрывов 60

  1. Введение 60

  2. Постановка задачи и приемо-измерительная аппаратура 62

  3. Обработка и анализ результатов 68

2.3.1. Основные параметры КНЧ-атмосфериков 69

2.3.2. Методика обработки данных 70

2.3.3. Анализ данных 73

2.4. Интерпретация результатов 94

2.4.1. Характеристики ЭМИ наземного и воздушного взрывов 94

  1. Динамика камуфлетного ядерного взрыва 95

  2. Модели КНЧ источника на стадии динамического роста плазменной полости 98

  1. Распространение СНЧ-КНЧ волн в магнитосфере 104

  2. "G''-мода и ее модель 107

  3. Электрические пробои газопылевого облака : 109

  4. Регистрация сейсмических колебаний от ПЯВ 111

  5. Акустическое воздействие взрыва на ионосферу 113

2.5. Выводы 119

Глава 3. УНЧ-КНЧ излучения, индуцируемые сейсмичностью 120

  1. Введение 120

  2. Оценка эффективности сейсмического события 124

  3. Геомагнитные пульсации УНЧ диапазона 127

  4. Подтверждение обнаруженного эффекта

корреляционным анализом 137

  1. Интерпретация полученных результатов 142

  2. Выводы 151

Заключение 152

Библиографический список используемой литературы 154

Введение к работе:

В диссертации представлено экспериментальное исследование распространения электромагнитных импульсных излучений, частотный спектр которых перекрывает диапазоны ультранизких (УНЧ) и крайне низких частот (КНЧ), в волноводе Земля - ионосфера и магнитосфере. Анализировались сигналы в этих диапазонах частот, излучаемые как естественными - удалёнными разрядами молний, землетрясениями и вулканической деятельностью, распределёнными по поверхности Земли, так и техногенными источниками — наземными и подземными взрывами. Хотя перечисленные явления вызывают излучения не только в указанном диапазоне частот, тем не менее, НЧ волны заслуженно вызывают к себе повышенный интерес. Благодаря слабому затуханию в волноводе Земля-ионосфера [1] НЧ волны, будучи возбуждены источником и распространяясь в волноводе, несут на себе отпечаток свойств, как самого источника, так и физических свойств среды распространения. Этот, хорошо известный факт, давно сделал низкочастотные электромагнитные излучения эффективным инструментом диагностики процессов в околоземной плазме, атмосфере и земной коре [21,49,77,100].

Однако достоверность такой диагностики зависит как от знания физики процесса генерации и механизмов распространения этих излучений, так и качества регистрации и анализа. Исследуемые электромагнитные поля, наблюдаемые на поверхности Земли, как правило, имеют низкую интенсивность и сильно маскируются помехами [2]. Вероятность обнаружения и точность оценки параметров сигналов зависит от оптимальности применяемого в приемниках алгоритма обработки, который, в свою очередь, определяется априорными данными о характеристиках сигналов и помех. [3,4] К этим данным относятся спектральные и

статистические характеристики, временные параметры сигналов и т.п. Степень "оптимальности" обработки впрямую влияет на достоверность и интерпретацию данных и потенциально зависит от знаний параметров сигналов и помех, что и является основным направлением исследований в данной работе.

Экспериментальные данные, используемые в работе, получены в результате наземной регистрации электрической и магнитных компонент поля естественных и техногенных излучений в различных полосах частот: 0.003 - 40 Гц, 3 - 40 Гц и 3 - 1000 Гц. В экспериментах использовались различные сочетания измеряемых компонент поля: вертикальная электрическая и две взаимно ортогональные горизонтальные магнитные, вертикальная и горизонтальные магнитные. В отдельных экспериментах измерялась одна магнитная компонента поля. Измерения проводились в различных регионах России: республике Карелия, Камчатской, Волгоградской и Семипалатинской областях.

Актуальность работы. Диапазоны УНЧ и КНЧ характеризуются очень слабым затуханием при распространении радиоволн в приземном волноводе. Эти сигналы способны распространяться на очень большие расстояния (до нескольких тысяч километров), что позволяет рассматривать их наблюдение как средство мониторинга глобальных изменений окружающей среды. При этом представляется возможность оценки свойств, как канала распространения, в основном определяемым состоянием нижней ионосферы, так и параметров источников сигналов, таких как их координаты в случае одиночного импульсного излучателя, его мощность, а также пространственное распределение глобальной молниевой активности. Сигналы в этом диапазоне частот уверенно регистрируются на спутниках, но поскольку спутниковые данные во многих случаях не могут заменить наземные, а получение последних связано, как правило, с работой

на фоне высоких индустриальных и естественных (погодные, вибрационные) помех, рассматриваемые экспериментальные методики могут оказаться полезными при решении ряда задач, имеющих важное научное и прикладное значение.

Важную роль в исследованиях играет универсальность и относительная простота приёмоанализирующей аппаратуры, что достигается минимизацией составляющих приёмной части и переносом основных функций фильтрации, подавления помех, обработки в реальном времени и автоматизации процесса измерения на программное обеспечение. В качестве массива данных используются оцифрованные временные реализации сигналов, синхронно принимаемые датчиками различных компонент поля.

Задачи поиска и локализации очагов техногенных явлений до
недавнего времени решались в основном сейсмическим,

гидроакустическим, инфразвуковым и радионуклидным методами. Однако проблема осложняется тем, что глубина и размеры очага, геологическое строение и физические свойства пород варьируют в достаточно широких пределах, что требует в целом комплексного подхода.

Первая открытая публикация, посвященная геомагнитным возмущениям, сопровождающих подземные ядерные взрывы (ПЯВ) появилась в 1966 г. [55] В этой работе впервые были описаны результаты регистрации электрической и магнитной компонент поля в серии опытов на испытательном полигоне США в штате Невада. В последствии появилось множество работ, доказывающих, что электромагнитные излучения, сопровождающие техногенные явления и ПЯВ генерируются в широком диапазоне частот. Но наибольший интерес вызывают излучения в УНЧ-КНЧ диапазонах частот, так как именно для них ионосфера и магнитосфера Земли являются достаточно «прозрачными». Таким образом, изменение

-?

свойств среды может передаваться в ионосферу через вертикальное электрическое поле и изменить функцию распределения энергичных электронов, что, в свою очередь, приведет к модификации спектра и интенсивности УНЧ-КНЧ шумов.

Другим возможным источником воздействия указанных явлений на околоземную плазму является акустическая волна, распространяющаяся вверх от источника и вызывающая колебания заряженных частиц и, соответственно, генерацию электрических полей и токов.

Приведенные в работе результаты являются обобщением опытных данных, полученных в период проведения экспедиционных работ на Семипалатинском полигоне. Анализ этих данных позволил сделать вывод о том, что динамические спектры регистрируемых магнитовариационных процессов на определенном временном интервале после взрыва, наряду со случайной, содержат регулярные компоненты магнитных возмущений. Эти возмущения делают уникальным магнитный "портрет" источника, позволивший разработать оригинальную методику диагностики ПЯВ, о чем получено авторское свидетельство [72].

Естественными источниками в этих диапазонах частот являются также молнии, которые являются предметом исследования от первых опытов с электричеством в XIX веке до настоящих дней. Молнии традиционно используются для исследования распространения радиоволн, что связано, прежде всего, с отсутствием широкополосных искусственных источников полей в этом частотном диапазоне. При этом важную роль играет определение координат источников вследствие дистанционной зависимости спектров регистрируемых полей.

Определяющую роль в глобальной грозовой активности играют мировые грозовые центры, расположенные в Африке, Южной Америке, Юго-Восточной Азии. Известные из литературы данные о распределении

&

источников измерялись за продолжительные промежутки времени или охватывали локальные области Земного шара. Глобальные распределения получались затем сопоставлением данных большого числа отдельных метеорологических пунктов наблюдения [5,6]. Эти результаты не позволяют одновременно оценить динамику и пространственную структуру глобальных источников. Поэтому остается актуальным получение данных о пространственно-временной динамике активности мировых грозовых центров.

Часть работы посвящена возможности использования одной станции для определения направления на источник, реализующая алгоритм Умова-Пойтинга в диапазоне шумановских резонансов, который в этом частотном диапазоне выполнялся впервые [43,47]. Исследования в этой области становятся особенно актуальны в связи с высказанной возможностью отслеживания температуры атмосферы по интенсивности грозовой деятельности, что в свою очередь, позволяет осуществлять мониторинг глобального потепления. Кроме того, грозы являются основным источником электромагнитных помех на частотах выше 5 Гц и исследование их полей стало необходимым условием создания систем обнаружения и анализа сигналов других источников, наблюдаемых на поверхности Земли.

Землетрясения являются одним из наиболее катастрофических процессов в природе и, поэтому, их исследованию и возможности их предсказания посвящено огромное количество работ. Наиболее полные из них посвящены калифорнийскому [11] и спитакскому [12] землетрясениям. Некоторые теоретические и практические работы позволяют делать вывод о том, что существует возможность появления низкочастотных излучений, в том числе и в период подготовки землетрясений [16]. Однако, исследования в этой области поглотили уже огромные средства, но пока не

привели к полной ясности физики процессов и не дают рекомендаций для их прогноза. Результаты, представленные в этой работе получены в районе Петропавловска-Камчатского на комплексном геофизическом полигоне на временном интервале более трех последних лет. Исследование структуры статистических и спектральных характеристик низкочастотных полей, а также их связи с сейсмическими событиями нашло отражение в ряде работ. При этом были обнаружены статистически устойчивые закономерности, которые также приведены в настоящей работе.

Исследуемые в диссертации эффекты тесно связаны с состоянием нижней ионосферы, поэтому они оказываются не только источником дополнительной информации, но и основой новых методов измерения параметров нижней ионосферы. Рассматриваемые экспериментальные методики могут оказаться полезными в изучении грозовых разрядов и других электромагнитных источников естественного и искусственного происхождения в данных диапазонах частот.

Цель работы и метод исследования. Целью диссертации является экспериментальное исследование спектральных и поляризационных свойств электромагнитного поля от нестационарных источников естественного и искусственного происхождения в диапазонах УНЧ-КНЧ, распространяющихся в волноводе Земля-ионосфера и магнитосфере, разработка методики локации источников импульсных сигналов как точечных, так и распределенных в пространстве, попытка решения задачи поиска предвестника землетрясения, получение новых экспериментальных данных о пространственно-временной динамике активности мировых грозовых очагов, обработка, анализ и интерпретация полученных экспериментальных данных.

Методы исследования базируются на теории распространения электромагнитных волн, теории цепей, теории информации, структурном

программировании, математических методах обработки результатов экспериментов.

Научная новизна. Проведены комплексные исследования физических свойств электромагнитного излучения при проведении подземных ядерных взрывов и взаимосвязи его характеристик с информационными параметрами источника его генерации. Предложена и апробирована оригинальная методика обнаружения камуфлетного взрыва. Зарегистрированы и исследованы остаточные геомагнитные вариации и процессы их релаксации после действия ПЯВ. Отработаны физические и математические критерии идентификации источников электромагнитных и геофизических возмущений.

Обнаружены аномальные вариации грозовой активности в Африканском МГЦ по результатам измерения вектора Умова-Пойнтинга. Предложена и апробирована оригинальная методика пеленгации и определения дистанции до МГЦ по волновому импедансу. Экспериментально обнаружены и интерпретированы частотные зависимости азимута МГЦ по средним векторам Умова-Пойнтинга.

Предпринята попытка обнаружения сигналов вблизи зоны готовящегося землетрясения, появление которых предшествует или сопровождает его.

Разработаны и созданы программно-аппаратурные комплексы с автоматической калибровки для 3-х компонентных измерений в диапазонах УНЧ-КНЧ, оптимизированных для решения вышеперечисленных задач. Проведены долговременные непрерывные 3-х компонентные измерения шумановских резонансов и накоплен электронный банк данных средних спектров шумановских резонансов и вектора Умова-Пойнтинга в п. Лехта, респ. Карелия и п. Карымшино, Камчатская обл.

Научная и практическая ценность работы. Полученные в диссертации экспериментальные результаты развивают и дополняют знания о распространении электромагнитных волн УНЧ-КНЧ диапазонов в волноводе Земля-ионосфера. Выявленные физические закономерности и количественные характеристики электромагнитных и геофизических эффектов могут быть использованы как для фундаментальных геофизических исследований, так и в прикладных областях, таких, как обнаружение сигналов из очагов землетрясений, вулканической деятельности, для решения задач, связанных с обнаружением и различением ПЯВ и взрывом химических ВВ. Разработанные алгоритмы обработки сигналов, схемные решения, использованные при разработке аппаратурного комплекса могут быть применены для изучения динамики мировой грозовой активности, создания однопунктовых систем локации молний, автоматических систем мониторинга нижней ионосферы, новых систем связи.

Апробация работы. Результаты исследований были доложены на Всесоюзном межведомственном научном совещании, г. Харьков, 1990 г., межведомственной научной конференции по сейсмоакустическим, инфразвуковым и ионосферным эффектам подземных и наземных взрывов, г. Москва, 1990 г., межведомственной конференции по технологиям мониторинга договора о всеобщем запрещении ядерных испытаний, г. Истра, 1996 г., XXVIth General Assembly URSI, Univ. Of Toronto, Toronto, Ontario, Canada, 1999 г., IV Int.Symposium on EMC and Electromagnetic Ecology. EMC-2001, 2001 г., 25-й Генеральной Ассамблеи Европейского Геофизического Союза (Ницца, Франция), EGS -2001 г., 26-й Генеральной Ассамблеи Европейского Геофизического Союза (Ницца, Франция), ), EGS -2003 г., International Workshop on Seismo Electromagnetics, 2000 of NASDA, The University of Electro-Communications, Chofu-City, Tokyo, Japan.

Материалы диссертации обсуждены на семинарах в ОИФЗ РАН, ИДГ РАН, МИФИ, ИЗМИРАН.

Основные результаты диссертации изложены в 15 печатных работах и включены в ряд отчетов по плановым НИР ИЗМИРАН.

Структура и объём работы. Диссертация общим объёмом 170 страниц состоит из введения, 3 глав, заключения и библиографического списка, содержит 63 рисунка, библиографический список из 162 наименований.

Содержание работы. Во введении показана актуальность темы диссертации, сформулирована цель исследований, изложено краткое содержание и основные результаты, выносимые на защиту.

В первой главе приводится анализ естественных УНЧ - КНЧ излучений по результатам наблюдений на станциях Лехта (Карелия) и Карымшино (Камчатка), состав и описание аппаратуры и пунктов наблюдения, методика обработки данных и результаты наблюдения за динамикой мировой грозовой активности.

Во второй главе рассмотрены результаты экспериментов по обнаружению сигналов в диапазоне КНЧ от подземных ядерных взрывов, приведены их основные временные и спектральные характеристики и предполагаемые механизмы и модели их возникновения.

В третьей главе представлен анализ сигналов в диапазоне УНЧ на станции Карымшино (Камчатка) за более чем 2-х летний период, показана связь наблюдаемых сигналов с процессами подготовки землетрясений, проведен их статистический анализ и дается интерпретация наблюдаемых эффектов в рамках 2-х моделей.

В заключении приведены основные результаты диссертации и выводы.

Подобные работы
Рагульская Мария Валерьевна
Влияние вариаций солнечной активности на функционально здоровых людей
Пьянков Валентин Александрович
Пространственно-временные особенности вариаций геомагнитного поля и их связь с современными процессами в земной коре Урала
Иванова Виктория Владимировна
Дистанционный метод восстановления параметров пересоединения по вариациям магнитного поля
Жуков Виталий Семенович
Изучение вариаций электротеллурического поля и электросопротивления горных пород в Ашхабадском сейсмоактивном районе
Гайдуков Виталий Юрьевич
Модель крупномасштабных геомагнитных вариаций, электрических полей и токов в ионосфере высоких широт
Калугин Владимир Иванович
Электромагнитное экранирование и проводимость нижней мантии Земли по вековым вариациям геомагнитного поля
Шевырев Николай Николаевич
Исследование свойств и источников вариаций плазмы и магнитного поля в магнитослое Земли
Тлатов Андрей Георгиевич
Долговременные вариации вращения и распределения крупномасштабных магнитных полей Солнца
Хаердинов Наиль Сафович
Исследование кратковременных вариаций вторичных космических лучей под действием электрического поля атмосферы во время гроз
Гагиева Радиана Владимировна
Механизм образования первой борозды дробления зародышей амфибий, изменчивость её ориентации в пространстве в условиях вариации солнечной активности

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net