Вариации числа радиоимпульсов грозовых разрядов по наблюдениям в Якутске

Основным природным источником очень низкочастотного излучения (ОНЧ: 3–30 кГц) являются грозовые разряды, порождающие радиоимпульсы – атмосферики. Атмосферики распространяются на большие расстояния с малым затуханием. Исследованиям импульсной составляющей радиошумов ОНЧ-диапазона посвящен ряд работ [1, 2]. Ряд вопросов, связанных с проведением регистрации и обработки атмосфериков, методы мониторинга грозовой активности описаны в работах Панюкова А.В. [3–5]. В работах [6–8] авторы указывают на зависимость атмосферных помех от активности Солнца.

Атмосферики регистрировались в 30 км от г. Якутска ( φ = 62° N; λ = 129,72° E). Рамочная приемная антенна ориентирована восток–запад. Приемный тракт включает в себя предварительный усилитель с полосой усиления 0,3–10 кГц, что соответствует полосе сосредоточения наибольшей энергии наземных грозовых разрядов. Порог регистрации выбирался так, что средняя плотность потока атмосфериков в суточном дневном летнем максимуме превышала 1 сек^–1. Пороговый уровень поля, принимаемого антенной ~ 2 мВ/м, что для ночной трассы распространения дает возможность регистрации импульсов на дальности до ~ 6 000 км. Выставленный порог превышает верхнюю оценку шумовой составляющей. Стандартное отклонение шумовой составляющей атмосферных помех в полосе частот 2–9 кГц, измеренное в Канаде в 1950-х годах лежит в пределах 0,03…2 мВ/м [9]. Наши измерения показывают, что для окрестности г. Якутска, максимальная величина флуктуационной составляющей во время летних ближних гроз достигает 1 мВ/м. Превысивший порог сигнал поступал на счетчик.

Для исследования вариаций потока атмосфериков использованы данные регистрации счета импульсов в час с 2001 по 2015 гг. В указанный период регистрации получены суточные и сезонные хода принимаемых атмосфериков. В суточном ходе импульсов выделяются три характерных периода: 3–7 UT – минимум в суточном ходе, обусловленный утренним и дневным временем в окрестности точки регистрации, при минимальной активности остальных очагов, входящих в зону регистрации, и максимальным затуханием на трассе распространения; 8–12 UT – максимум в летнее время, обусловленный дневным и вечернем временем в окрестности точки регистрации, максимумом вклада местной грозовой активности при максимальном затухании сигналов при их распространении; 15–19 UT – максимум, наблюдаемый зимой и второй летний максимум, обусловленный ночным временем в окрестности точки регистрации, при минимальном затухании на трассе распространения. В сезонной вариации максимум наблюдается в летнее время [10]. Вариация для суточного максимума в ~17 ч (UT) между летними и зимними месяцами составляет 230 %, а в ~9 ч (UT) – 2 600 %, что определяется вкладом местной грозовой активности летом.

Одиннадцатилетняя вариация имеет характерный вид полуволны с максимумом на 1 год раньше минимума солнечной активности для всех отмеченных выше экстремумов суточного хо-

Физика да как для летних (рис. 1), так и для зимних месяцев (рис. 2). На ниспадающей ветви солнечной активности, с максимума (2001 г.) до минимума (2008 г.), идет нарастание превышающего порог 1,75 мВ/м. числа атмосфериков. Вместе с тем, при нарастании солнечной активности (2008– 2015 гг.), наоборот, наблюдается уменьшение плотности потока атмосфериков. Таким образом, поток атмосфериков находится в противофазе с солнечной активностью и в фазе с вариацией космических лучей, которые и ответственны за ионизацию атмосферы. От максимума к минимуму солнечной активности (2001–2007 гг.) изменение потока радиоимпульсов 3–7 UT составило 59 и 13 раз в зимний и летний сезоны соответственно. Изменение потока атмосфериков 15–19 UT составило 38 и 5 раз в зимний и летний сезоны соответственно. Повышение потока атмосфери-ков, соответствующих местной грозовой активности летом и грозовому очагу Северной Индии зимой (8–12 UT), составило 34 и 8 раз для зимы и лета соответственно.

Июнь–август

5 25000

— 8-12чЦТ --15-19ч UT--3-7ч UT

Рис. 1. Вариации числа атмосфериков, превышающих 1,75 мВ/м, по наблюдению в Якутске в летние месяцы 2001–2015 гг.

Одиннадцатилетняя вариация количества регистрируемых атмосфериков, на наш взгляд, может быть объяснена тремя причинами: изменением величины затухания атмосфериков при распространении, изменением активности грозовых очагов и смещением положения этих очагов относительно пункта регистрации.

В зимние месяцы регистрируются атмосферики от грозовых разрядов, происходящих на самом севере полуострова Индостан. Небольшое смещение положения этого грозового очага в солнечном цикле приводит к значительным вариациям числа регистрируемых атмосфериков.

С 2009 г. в Якутске регистрируются сигналы ОНЧ навигационной системы станций РСДН – 20 (Новосибирск и Хабаровск). Методика регистрации описана в работе [11]. Была проведена калибровка путем одновременных измерений амплитуды сигналов радиостанций РСДН-20 стационарным регистрирующим комплексом и дополнительным мобильным приемником, в состав которого вошли сертифицированная дипольная антенна П6-51 (Антенна дипольная активная П651 – № 349 Руководство по эксплуатации, ИУШЯ.464651.006РЭ), АЦП E14-440, ноутбук с программным обеспечением для АЦП «LGraph2». Сертификат соответствия позволил определить, что на частоте 15 кГц номинальное значение коэффициента преобразования антенны (К ант ) составляет 15,9 дБ(1/м). Одновременно со стационарным регистратором были проведены измерения амплитуд ОНЧ сигналов радиостанций дополнительным мобильным приемником. Измере ния выполнены на открытой сельской местности в окрестностях г. Якутска (удаление 10 км), без

Козлов В.И., Корсаков А.А., Тарабукина Л.Д., Дуюкова Н.С.

Вариации числа радиоимпульсов грозовых разрядов по наблюдениям в Якутске застроек в радиусе 2 км. Местность представляет открытый луг без посевов и кустарников, плотность застройки < 1/га, вдали от крупных автодорог и от электрифицированных железных дорог. Предполагается, что основным источником радиошума является атмосферный шум грозовых разрядов (9 кГц – 30 МГц).

----8-12чШ ---15-19ч UT--3-7ч UT

Рис. 2. Вариации числа атмосфериков, превышающих 1,75 мВ/м по наблюдению в Якутске в зимние месяцы 2001–2015 гг.

Для спектрального анализа выбрано прямоугольное окно дБ(Вср.кв./√Гц), время полевых измерений амплитуды сигналов радиостанций 04:12 UT. Полоса спектрального анализа (прямоугольное окно) стационарного регистратора ОНЧ радиосигналов равна 372 Гц.

В таблице представлены усредненные коэффициенты пересчета к 1 отн.ед. или 1 В амплитудного значения стационарного регистратора к уровню электрической составляющей поля (мкВср.кв./м∙√Гц) ОНЧ сигналов радиостанций на частотах 11,904, 12,649 и 14,881 кГц у приемной антенны.

Коэффициент пересчета 1 В амплитудного значения (1 отн. ед.) стационарного регистратора к уровню электрической составляющей поля ОНЧ радиосигналов

Частота сигнала, кГц	Коэффициент пересчета, дБ(Вср.кв./м∙√Гц)	Коэффициент пересчета, дБ(мкВср.кв./м∙√Гц)	Уровень сигнала, принимаемого антенной, мкВср.кв./м∙√Гц
11,904 кГц	–81,4	38,6	85,11
12,649 кГц	–80,76	39,24	91,62
14,881 кГц	–83,05	36,95	70,39

На рис. 3 и 4 представлены суточные вариации электрической составляющей поля сигналов радиостанций, принимаемых на частотах 11,904 и 14,881 кГц с учетом коэффициента пересчета к уровню электрической составляющей поля. Здесь же показана суточная вариация флуктуационной составляющей радиошума, регистрируемая в интервалы времени отсутствия сигналов радиостанций. Соотношение между величиной сигнала радиостанций и радиошума определяет отношение сигнал \ шум.

Якутский пункт с 2009 г. входит в мировую сеть регистрации гроз WWLLN [12]. По данным этой сети для Северо-Восточной Азии выделяются два максимума плотности грозовых разрядов, вносящих большой вклад в местную послеполуденную (3–7 UT) грозовую активность в летний период. Один максимум находится западнее Новосибирска, а второй – южнее Хабаровска. Ва-

Физика риации распространения атмосфериков из этих областей до Якутска оцениваются с помощью регистрации сигналов станций Новосибирск и Хабаровск. В работе [13] указывается, что в дневных условиях в минимуме солнечной активности затухание примерно на 0,3 дБ/Мм больше, чем в солнечном максимуме. Максимальное расстояние регистрации атмосфериков составляет 6 Мм, таким образом оценка затухания в солнечном цикле меняется на 1,8 дБ, что соответствует изменению величины электрического поля в 1,41 раза. По нашим наблюдениям (рис. 5) на трассе Но-восибирск-Якутск изменение затухания составляет 1,5 дБ, что соответствует изменению величины электрического поля в 1,2 раза.

Суточные вариации амплитуды 11.904 кГц

Время, UT           _

* Хабаровск! 1,9кГц              D Новосибирск! 1,9кГц

* Краснодар! 1,9кГц             ---Радиошум! 1,9кГц

Рис. 3. Суточные вариации поля ОНЧ сигналов радиостанций и радиошума 11,904 кГц

Суточные вариации амплитуды 14,881 кГц

* Краснодар!4,9кГц            ---Радиошум!4,9кГц

Рис. 4. Суточные вариации поля ОНЧ сигналов радиостанций и радиошума 14,881 кГц

Для пересчета изменений в величине электрического поля E в изменения в плотности потока атмосфериков N ( E ) воспользуемся соотношением:

N ( E ) / N ( E о ) = ( Е / Е о ) к , где в нашем случае к = 2,5. Соотношение выведено исходя из следующих допущений: равномерного распределения гроз по поверхности Земли; амплитуда атмосферика убывает по степенному закону при удалении от источника; функция распределения амплитуд атмосфериков логарифми-

Козлов В.И., Корсаков А.А., Вариации числа радиоимпульсов Тарабукина Л.Д., Дуюкова Н.С. грозовых разрядов по наблюдениям в Якутске чески нормальная для любого грозового очага на небольшом расстоянии от него. Значения показателя к для Якутска изменяются от 1,36…3 летом до 2…3,2 зимой. Для сезонов весна–осень значения показателя составляют 2,2…2,9. Полученные нами значения к соответствуют значениям 1,5…3 весной и осенью, 1…2 летом и 2,5…3,5 зимой, измеренным в средних широтах европейской части России [2]. Сравнение вариаций ОНЧ сигналов радиостанций, зарегистрированных в 2009–2014 гг., с вариациями потока атмосфериков указывает на присутствие связи солнечной активности с числом регистрируемых импульсов от грозовых источников. С учетом вклада распространения, отношение между количеством атмосфериков, принятых в минимуме солнечной активности (2009 г.) и максимуме (2013 г.) для летних месяцев составляет около 159 %.

Рис. 5. Вариации потока F10.7, спектральной составляющей мощности радиошума и сигналов радиостанций (14,88 кГц) в дневной летний период

Эффекты вариаций флуктуационной составляющей ОНЧ естественных радиошумов, вызываемых грозовой активностью по наблюдениям в 1979–1996 гг. в Якутске рассмотрены в [8], где показано, что вариация интенсивности регистрируемых радиошумов противофазна солнечной активности и модулируется параметрами солнечного ветра. Количество молний по наблюдениям в Европе также модулируется скоростными потоками солнечного ветра [14, 15].

Регистрируемое на основе вариаций амплитуд сигналов радиостанций изменение функции прохождения не может полностью объяснить величину наблюдаемой нами одиннадцатилетней вариации количества регистрируемых атмосфериков. Имеются публикации о регистрации длинного ряда грозовых разрядов в двух регионах, Южной (8°N–35°N, 60°E–95°E) и Юго-Восточной Азии (8°N–35°N, 95°E–120°E) [16]. В работе рассмотрен длинный ряд данных регистрации числа световых вспышек молний спутниковым прибором Lightning Imaging Sensors (LISs) помещенным на борту спутника Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM). LIS определяет местоположение молнии с пространственным разрешением 5–10 км и временным разрешением 2 мс на большой области земной поверхности в окрестности от 35° южной широты до 35° северной широты. Эффективность детектирования молниевых вспышек LIS около 90 % в поле наблюдения сенсора, прибор обнаруживает как внутриоблачные разряды, так, и разряды облако–земля в дневных и ночных условиях. Использованы ежемесячные данные, с разрешением 5°×5° за период 19982010. Одиннадцатилетняя вариация количества гроз как в Южной Азии, так и Юго-Восточной Азии находится в противофазе с солнечной активностью, выражаемой количеством солнечных пятен и потоком радиоизлучения F10,7. В то же время одиннадцатилетняя вариация количества гроз коррелирует в фазе с потоком космических лучей. Изменение количества гроз с 2000 по 2007 год составило 3,5 раза.

Физика

Подобный анализ регистрации грозовых разрядов, использующих данные как спутника OTD, так и LIS для того же временного периода 1998–2009 годы проведен в работе [17]. Данные по количеству грозовых разрядов для региона Индии анти коррелируют с солнечной активностью и коррелируют со средней температурой земной поверхности. При этом изменение плотности грозовых разрядов для северной геосферы от минимума 1999–2000 до максимума 2006–2007 составляет 1,4 раза.

В заключение можно сделать вывод, что с учетом вклада распространения, отношение между количеством атмосфериков, принятых в минимуме солнечной активности (2009 г.) и максимуме (2013 г.) составляет около полутора раз. Это соответствует вариации количества грозовых разрядов, наблюдаемых в Южной и Юго-Восточной Азии. Таким образом, как в регионах Южной и Юго-Восточной Азии, так и в Северной Азии вариация грозовых разрядов находится в противофазе с солнечной активностью и в фазе с вариацией галактических космических лучей.

Работа выполнена при поддержке РФФИ, № 15-45-05005-р_восток_а, № 15-45-05135-р_восток_а и частично РНФ (проект №14-19-01079).