Чтобы выделить поперечную и продольную компоненты горизонтального магнитного поля, с помощью методики, описанной в Главе 3, определялся пеленг на источник атмосферика, а затем составляющие магнитного поля преобразовывались к системе координат, в которой ось 0r направлена на источник, а ось 0v перпендикулярно ей, по следующим формулам:
H (t) = -H (t)sina + H (t)cosa ;
где H (t), H (t) соответственно поперечная и продольная компоненты магнитного поля по отношению к направлению на источник, a - азимутальный угол вектора Умова-Пойнтинга в судовой системе координат. На Рис. 2.3, 2.4 приведены временные реализации и амплитудные спектры трех компонент поля типичного ночного "отражательного" атмосферика.
В спектрах ночных отражательных атмосфериков, взятых по полной реализации, формируется сложная интерференционная картина, из-за чего затруднено определение резонансных частот. Из временных форм компонент поля видно, что интервалы между последовательными отражениями монотонно увеличиваются, становясь практически эквидистантными к концу атмосферика. Этим обстоятельством мы воспользуемся для выделения поперечного резонанса, соответствующего углам падения волн близким к нормальному к границам (более подробно см. п. 2.1.)
На Рис.2.5 представлен спектр продольной магнитной компоненты хвостовой части атмосферика, записанного 21.1.91г. в Гвинейском заливе. В обработку взята реализация длительностью 30.72 мсек, начало которой отстоит от начала атмосферика на 8 мсек. Для снижения дисперсии спектральных оценок применялось временное окно Хэмминга H(k) [31], на которое предварительно умножалась анализируемая временная реализация:
H(k) = { (2.3.2)
где k - номер отсчета, а N - длительность цифровой реализации. Из полученного спектра можно определить частоты резонансов, а также их добротности Q'. Кроме того можно получить оценку частоты отсечки волновода Земля-ионосфера, взяв отсчет частоты там, где резонансный пик спадает к уровню шумов (см. Рис.2.5.) Полученная частота отсечки волновода может быть использована для оценки эффективной высоты отражения от ионосферы по следующей формуле [33] :
Чтобы контролировать ошибки при определении резонансных частот и связанных с поперечными резонансами добротностей, необходимо знать расстояние до молнии. Для определения расстояния мы будем использовать сонограммный метод (см. напр. [80]).
Для более детального изучения свойств поля атмосфериков строились цифровые динамические спектры (цифровые сонограммы) его компонент. При этом положение спектральных максимумов на оси частот определялось по центру тяжести соответствующего спектрального пика, т.е. по точке максимума и двум соседним отсчетам в спектре/
Текущий спектр при вычислении сонограмм получался по алгоритму быстрого преобразования Фурье (БПФ) 256 - точечных последовательных реализаций длительностью 2.56 мсек и последующей временной сдвижкой между ними, на 0.4 мсек. С целью уменьшения дисперсии спектральных оценок и подавления краевых эффектов реализация перед выполнением БПФ умножалась на временное окно Хэмминга (2.3.2) . Пример сонограммы приведен на Рис 2.6. Точки на этом графике соответствуют положению максимумов амплитудных спектров в координатах время - частота. Видно, что отсчеты группируются в дисперсионные ветви, спадающие по частоте с удалением от начала импульса и асимптотически приближающиеся к значениям частот отсечки. В сонограммах некоторых атмосфериков наблюдалось до восьми резонансных ветвей Рис.2.6, которые мы в дальнейшем будем называть модами (в терминологии, принятой в теории волноводов, модами обычно называют собственные или нормальные волны). В основной массе атмосфериков можно было выделить не более двух мод, пригодных для анализа.
Оценки частот первых восьми резонансов по сонограмме Рис.2.6, найденные путем усреднения данных в интервале от 7.2 мсек до 13.6 мсек, представлены в таблице 2.3.1. Здесь в первой колонке дан номер моды, во второй - частота резонанса, в третьей - стандартное отклонение значений резонансной частоты. Видно, что оценки резонансных частот, полученные для различных мод, кратны частоте первой моды/
Дальность до источника можно оценить, используя полученные экспериментально зависимости частота-время в рамках модели плоского волновода (см параграф 2.1.) Когда задержка t измеряется между моментами прихода составляющих с частотами f и f (f > f ), из формул (2.1.11 - 2.1.14) можно получить выражение для определения дистанции:
D = ct/(cosecq2 - cosecq1). (2.3.8)
В случае, когда задержка t прихода частотной составляющей измеряется относительно начала импульса данная формула преобразуется к виду:
D = c(t + T /2)/(cosecq-1) (2.3.9)
где T - длительность реализации по которой получается спектр. Значение частоты отсечки f можно получить измеряя спектр хвостовой части атмосферика (см. выше.)
Пример определения дальности до источника и высоты ионосферы приведен на Рис.2.7, где на сонограмме в более подробном масштабе представлены две первые резонансные ветви Рис.2.6. По этим данным для каждой точки определялась дальность с помощью формулы (2.3.9), при этом осуществлялся последовательный подбор частоты отсечки таким образом, чтобы получить минимальный тренд значений дальности. Полученные оценки дистанции до молнии, эффективной высоты отражения и их стандартные отклонения приведены на Рис.2.7.
Комплексные динамические спектры позволяют проследить изменение амплитуды (огибающей) и разности фаз между продольной и поперечной компонентами магнитного поля атмосферика. Необходимо отметить, что при приближении к "хвосту" атмоферика, когда угол падения парциальных волн стремится к вертикали, рассматриваемые параметры соответствуют поляризационным параметрам [41], введенным для плоской волны. При этом мы отходим от строгих определений параметров поляризации, которые справедливы для монохроматических сигналов, обобщая их для случая, когда сигнал имеет конечную полосу частот вследствие ограниченной во времени длительности анализируемой реализации.
На Рис.2.8, 2.9 приведены графики зависимостей текущей частоты, разностей фаз и отношения амплитуд продольной и поперечной компонент горизонтального магнитного поля для первой и второй моды атмосфериков, пришедших с запада (Рис.2.8) и с востока (Рис.2.9). На графиках, представляющих поведение разности фаз компонент магнитного поля, положительные значения угла соответствуют левой (вращение горизонтального магнитного поля - по часовой стрелке, при взгляде вслед падающей на землю волне) отрицательные - правой (вращение - против часовой стрелки), 0 и 180 - линейной поляризации. На графиках, представляющих отношение амплитуд продольной и поперечной компонент магнитного поля, значения больше единицы характеризуют преобладание квази-TE волн, значения меньше единицы - преобладание квази-TM волн [44].
В результате анализа банка данных, содержащего записи волновых форм 217 ночных атмосфериков, зарегистрированных в южном полушарии, были отмечены следующие закономерности их поляризации:
1) поляризация головной части атмосферика близка к линейной;
2) поляризация "хвоста" атмосферика является эллиптической (часто близкой к круговой), причем направление вращения вектора магнитного поля для южного полушария (если в системе координат корабля смотреть навстречу оси 0z) совпадает с направлением вращения часовой стрелки;
3) переход от головной части к хвосту может происходить тремя путями :
· от линейной к левой;
· от линейной к правой и затем к левой;
· от линейной к левой, правой и к левой;
4) наблюдается поляризационная невзаимность распространения восток-запад (В-З) - запад-восток (З-В), которая проявляется в преобладании продольной компоненты магнитного поля ночных атмосфериков при распространении В-З (см. Рис.2.8) и в преобладании поперечной компоненты магнитного поля при распространении З-В (см. Рис.2.9).
2.4 Основные результаты и выводы главы
Проведены экспериментальные исследования явления поперечных резонансов ~ПР` естественного волновода, образованного поверхностью Земли и нижней кромкой ионосферы, в результате которых сделаны следующие выводы.
1. Показано экспериментально, что поперечные резонансы удается наблюдать в средних спектрах атмосфериков.
2. Резонансные максимумы в спектрах отдельных атмосфериков наблюдаются наиболее уверенно, если при обработке используется хвостовая часть импульса.
3. ПР проявляются наиболее ярко в спектрах горизонтальных магнитных компонент поля.
4. Обоснована методика оценки добротности системы Земля-ионосфера на поперечных резонансах.
5. В окрестности резонансных частот э/м поле атмосфериков, зарегистрированных ночью, обладает левой эллиптическойполяризацией независимо от азимута прихода. Это свидетельствует о существенной гиротропии ионосферной стенки волновода и подтверждает вывод о левой поляризации хвостовой части твиков, сделанный в работе [12].
6. Наблюдается преобладание продольной компоненты магнитного поля при распространении ночных атмосфериков с востока на запад и преобладание поперечной компоненты при распространении с запада на восток.
Проведенные исследования могут иметь и практическое значение. Так, описанные эксперименты, позволяют получать геофизическую информацию, например, оценивать высоту нижней границы ионосферы, ее параметры по результатам измерения резонансных максимумов в спектрах СДВ атмосфериков. Кроме того, при проектировании систем СДВ связи и навигации на частотах ниже 10 кГц следует учитывать резонансную структуру радиошумов промежутка Земля-ионосфера, обусловленную явлением ПР.
ГЛАВА 3. Глобальная грозовая активность по результатам пеленгации СДВ атмосфериков