Суточные и сезонные изменения амплитуды радиосигналов очень низких частот при мониторинге нижней ионосферы Земли

Шестакова Виолетта Сергеевна,

10 класс, Республика Саха (Якутия), Хангаласский район, п. Мохсоголлох

МБОУ Мохсоголлохская средняя общеобразовательная школа с УИОП

e-mail: mokhschool2019@yandex.ru

Эффекты суточных и сезонных изменений нижней ионосферы Земли в амплитуде радиоволн очень низких частот

Научные руководители:

Перевалова Галина Александровна,

учитель физики

e-mail: galia-perevalva@rambler.ru

+79241697422

Корсаков Алексей Анатольевич,

младший научный сотрудник,

Институт космофизических исследований

и аэрономии им. Ю.Г. Шафера СО РАН,

Якутский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук

e-mail: korsakov84@yandex.ru

+79241777084

ВВЕДЕНИЕ

Ультрафиолетовое и рентгеновское излучения от Солнца, поток энергичных протонов (солнечный ветер) – основные факторы, формирующие ионосферу Земли, способные менять свойства верхней атмосферы: ее плотность может повышаться, что приводит к снижению высоты орбиты ИСЗ (до километра в сутки при солнечных вспышках). Плазменные облака, выбрасываемые во время солнечных вспышек – причина геомагнитных бурь, которые влияют на технику и биологические объекты [1]. Солнечная активность может возмущать ионосферу и магнитосферу Земли, наводить большие токи в протяженных объектах (линиях электропередач, газо- и нефтепроводах), способствующих выходу их из строя [2]. Проводится мониторинг как с помощью спутников, так и наземными приборами (магнитометры, ионозонды, риометры, приемники сигналов глобальных навигационных спутниковых систем) [3]. Не всегда подобные методы способны охватывать большие площади с большим разрешением по времени в труднодоступных территориях.

Радиоволны диапазона очень низких частот (ОНЧ 3 – 30 кГц) распространяются на большие расстояния в волноводе Земля – нижняя ионосфера. Параметры волновода чувствительны к рентгеновским вспышкам на Солнце, геомагнитным и ионосферным бурям). Регистрация ОНЧ радиоволн позволяет наземными методами проводить непрерывный мониторинг околоземного пространства. Для повышения качества навигации и связи, эффективного мониторинга необходимы детальные сведения о регулярных (суточных и сезонных) изменениях условий распространения ОНЧ радиоволн.

Цель работы: по регистрируемым изменениям амплитуды сигналов удаленных радиостанций изучить суточные и сезонные изменения условий распространения ОНЧ радиоволн без геофизических возмущений.

Мной выбран радиофизический метод диагностики нижней ионосферы: регистрация изменений амплитуды сигналов радиостанций, излучающих в диапазоне ОНЧ: 3 – 30 кГц.

Задачи:

1.Ознакомиться с оборудованием для приема ОНЧ радиосигналов;

2.Проведение непрерывной регистрации ОНЧ радиосигналов;

3.Выделить суточные и сезонные изменения амплитуды принимаемых сигналов радиостанций;

5.Выделить особенности суточных и сезонных изменений нижней ионосферы;

6.Сделать выводы.

Глава 1.

НИЖНЯЯ Ионосфера Земли и РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН

Ионосфера Земли – верхняя часть атмосферы, главным образом ионизированная излучением Солнца. Структура ионосферы Земли представлена на Рис. 1.

Рис. 1. Ионосфера Земли и распространение радиоволн

В области D ионосферы (60 - 90 км) концентрация заряженных частиц: 10² - 10³ см-3 (слабая ионизация). Основной вклад в ионизацию области D вносит рентгеновское излучение Солнца. Слабые источники ионизации: метеориты, космические лучи, энергичные частицы магнитосферы, заносимые во время магнитных бурь. Концентрация электронов и ионов резко снижается в ночное время суток.

Область E (90 - 120 км): концентрация электронов днем до 105 см−3. Основным источником ионизации – солнечный ультрафиолет, ночью концентрация электронов падает до 10³ см−3. Этому мешает диффузия зарядов из области F. Ночные источники ионизации E: рассеянное от верхней части атмосферы излучение Солнца, метеоры, космические лучи.

Сезонные изменения свойств ионосферы связаны с вращением Земли вокруг Солнца. Причиной глобальных сезонных изменений погоды (весна, лето, осень и зима) – наклон оси вращения Земли к плоскости ее орбиты. Вращение Земли вокруг Солнца представлено на Рис. 2.

Рис.2. Схема вращения Земли вокруг Солнца

Долгота дня на экваторе Земли в течение года не меняется и равна продолжительности ночи. Лето в северном означает зиму в южном полушарии, осень северного полушария приходится на весну южного [4].

Исследования нижней ионосферы над труднодоступными местами планеты возможны с помощью радиоволн. Радиоволны диапазона очень низких частот (ОНЧ: 3-30 кГц) способны распространяться на тысячи километров, отражаясь от нижней ионосферы, земной и водной поверхностей. Параметры такого радиоволновода Земля – ионосфера чувствительны ко многим проявлениям комической погоды (рентгеновские вспышки на Солнце, геомагнитные и ионосферные бури). Приборы для регистрации амплитуды и фазы радиосигналов используются в мире.

В работах ИКФИА СО РАН [5] описана методика регистрации ОНЧ: используется стабильный гармонический сигнал от GPS-часов.

Объединение полученной из разных источников информации, увеличивает объем знаний о происходящих процессах на планете и в космосе.

Глава 2.

Методика ВЫДЕЛЕНИЯ Суточных и сезонных изменений амплитуды радиосигналов очень низких частот

Основными источниками ОНЧ радиоизлучения являются грозы, а также передатчики систем дальней навигации. Регистрация ОНЧ радиоволн позволяет наземными методами проводить непрерывный мониторинг околоземного космического пространства.

Мониторинг с помощью радиоволн в МБОУ МСОШ поселка Мохсоголлох (61° с.ш. 129° в.д.) начался с ноября 2015 г. [6]. К осени 2018 г была проведена модернизация регистратора. Сигналы радиопередатчиков принимаются вертикальной штыревой антенной, расположенной на крыше здания СОШ п. Мохсоголлох. Высота антенны: 4 м. Под антенной размещен предварительный усилитель (ПУ), сигнал усиливается в 64 раза. По проводу сигнал поступает на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП), который находится в лаборатории школы. АЦП имеет 14 разрядов. В лаборатории установлены: персональный компьютер (ПК) с программой регистрации и записи ОНЧ сигналов (предоставлена ИКФИА СО РАН), АЦП, делитель частоты, GPS – часы. Блок-схема регистратора представлена на Рис. 3.

Рис. 3. Блок-схема регистратора ОНЧ сигналов

Стабильные прямоугольные импульсы (1 импульс в секунду) от GPS-часов подаются на вход синхронного запуска АЦП. Антенна GPS-часов расположена на крыше школы. При помощи сигналов GPS организован синхронный запуск регистратора в соответствии с выбранным режимом работы, согласованным с радиопередатчиками. Также с помощью GPS-часов, каждую секунду корректирующих свою частоту по сигналам от спутников GPS, организована высокостабильная частота дискретизации АЦП (2,5 МГц). Оцифрованный сигнал по USB попадает в персональный компьютер (ПК) и записывается на жесткий диск. Выбран режим записи по 4 секунды через каждые 126 секунд. В 1 секунду вкладывается целое число символов при частотной манипуляции (MSK). Скорость передачи информации большинства удаленных радиостанций составляет 200 изменений в секунду (200 бит/с).

Мной был выбран участок ионосферы над Тихоокеанским регионом. Выбраны ОНЧ радиостанции: NPM (Гавайские острова, 21° с.ш. 158° з.д., частота радиосигнала: 21,4 кГц), JJI (Япония, 32° с.ш. 131° в.д., частота: 22,2 кГц) и NWC (Австралия, 22° ю.ш. 114° в.д., частота: 19,8 кГц). Трассы распространения сигналов радиостанций при регистрации в п. Мохсоголлох представлены на Рис. 4.

Рис. 4. Трассы распространения сигналов радиостанций NPM, JJI и NWC при регистрации в поселке Мохсоголлох

Протяженность трассы NPM – Мохсоголлох: 7030 км. Радиосигнал распространяется почти вдоль одной параллели. Радиотрасса охватывает большую территорию над водой, где затруднено проведение локального мониторинга нижней ионосферы другими методами.

Протяженность радиотрассы JJI – Мохсоголлох: 3270 км. Радиосигнал распространяется вдоль меридиана.

Протяженность радиотрассы NWC – Мохсоголлох: 9320 км. ОНЧ сигнал распространяется от южного полушария (передатчик в Австралии) до северного полушария (приемник в Мохсоголлохе). Распространение сигнала можно считать вдоль одного меридиана.

С 28 августа 2019 г мной проводится запись принимаемых радиосигналов. Принятый радиосигнал подвергался обработке. Для выделения амплитуды сигналов мной запускалась программа. Для получения суточных изменений амплитуды сигналов радиостанций, задавались частоты: 21,4 кГц – для NPM, 22,4 кГц – для JJI и 19,8 кГц – для NWC. В программе-фильтре выделено окно длительностью 5 мс. Перемножался принимаемый сигнал на функции синуса и косинуса с частотами: 200*107 = 21400 Гц (для сигнала NPN), 200*111 = 22200 Гц (для JJI) и 200*99 = 19800 Гц (для NWC). Полученные массивы произведений косинусов и синусов отдельно для каждой частоты суммировались. Так, например, для 200*107 = 21400 Гц получались массивы А и Б для сумм косинусов и синусов соответственно. Корень квадратный из сумм квадрата А и квадрата Б показывал амплитуду сигнала. Получается массив амплитуд сигнала на частоте 21400 Гц (передатчик NPM) с разрешением по времени 5 мс в каждой записи продолжительностью 4 секунды через каждые 126 секунд. То же самое для частот 200*111 = 22200 Гц (сигнал JJI) и 200*99 = 19800 Гц (сигнал NWC).

На каждом 126-секундном пакете, длительностью 4 сек получалось по 4000 мс /5 мс = 800 значений амплитуд каждой из 3-х радиостанций. Далее проводилось усреднение амплитуд каждой радиостанции по этим 800 значений. В итоге в сутках получалось:

24 часа * 60 мин * 60 сек / 126 сек = 685 значений амплитуд радиосигнала каждого из 3-х выбранных мной передатчиков.

Сезонные изменения амплитуды радиосигнала были получены на основе усредненных суточных изменений (по пять суток) вблизи дней весеннего равноденствия (21 марта), летнего солнцестояния (22 июня), осеннего равноденствия (23 сентября) и зимнего солнцестояния (22 декабря). Такие усреднения были сделаны отдельно для амплитуд сигналов NPM, JJI и NWC.

В программе «Google Планета Земля» были определены географические координаты приемника в п. Мохсоголлох и радиопередатчиков NPM, JJI и NWC. Также были определены координаты точек на радиотрассах через каждые 1000 км. В онлайн калькуляторе https://planetcalc.ru/320/ по заданным географическим координатам были найдены значения высоты Солнца над горизонтом для всех точек на радиотрассах для суток 21 марта, 22 июня, 23 сентября, 22 декабря через каждые 6 минут. Переход к зенитному углу был произведен в EXCEL путем вычитания от 90 градусов значений высоты Солнца над горизонтом.

В периоды солнцестояний и равноденствий определены времена восхода и захода Солнца на радиотрассах (Таблица 1). В равноденствия как время восхода, так и время захода Солнца во всех точках радиотрассы JJI – Мохсоголлох почти совпадают.

Таблица 1. Время дневных и ночных условий распространения ОНЧ сигнала на радиотрассах

ГЛАВА 3

Экспериментальные данные

Суточные и сезонные изменения амплитуды сигнала NPM при регистрации в Мохсоголлохе представлены на Рис. 5. Также на Рис. 5 представлены значения косинусов зенитного угла у передатчика NPM, приемника Мохсоголлох, а также средние значения косинусов зенитных углов, в точках радиотрассы, удаленных друг от друга на 1000 км в периоды зимнего (декабрь) и летнего (июнь) солнцестояний, весеннего (март) и осеннего (сентябрь) равноденствий.

Рис. 5. Суточные и сезонные изменения амплитуды сигнала NPM при регистрации в Мохсоголлохе, значения косинусов зенитного угла у передатчика NPM, приемника, а также средние значения косинусов зенитных углов, в точках радиотрассы в периоды солнцестояний и равноденствий

Суточные и сезонные изменения амплитуды сигнала JJI при регистрации в Мохсоголлохе представлены на Рис. 6.

Рис. 6. Суточные и сезонные изменения амплитуды сигнала JJI при регистрации в Мохсоголлохе, значения косинусов зенитного угла у передатчика JJI, приемника, а также средние значения косинусов зенитных углов, в точках радиотрассы в периоды солнцестояний и равноденствий

Суточные и сезонные изменения амплитуды сигнала NWC при регистрации в Мохсоголлохе представлены на Рис. 7.

Суточные и сезонные изменения амплитуды ОНЧ радиосигналов соответствуют условиям освещенности Солнцем радиотрасс. Продолжительность дневных условий распространения увеличивается от зимы к лету, а продолжительность ночных условий – уменьшается.

Амплитуда ОНЧ радиосигналов, регистрируемая ночью, обычно больше дневной. Однако ночная ионосфера неоднородна [1] при отражении радиоволн от этих неоднородностей возможны изменения амплитуды регистрируемых сигналов как повышения, так и понижения в результате наложения радиоволн (интерференция) при распространении вдоль радиотрассы. При прохождении вдоль радиотрассы границы день-ночь также возможны резкие изменения в амплитуде. Отражение происходит как от границы день-ночь, так и от границ волновода. Особенно заметны резкие изменения в амплитуде в дни равноденствий на радиотрассе вдоль широты NPM (Гавайи) – Мохсоголлох.

Рис. 7. Суточные и сезонные изменения амплитуды сигнала NWC при регистрации в Мохсоголлохе, значения косинусов зенитного угла у передатчика, приемника, а также средние значения косинусов зенитных углов, в точках радиотрассы в периоды солнцестояний и равноденствий

В суточных изменениях амплитуды радиосигналов отмечается меньшее время перехода от ночных к дневным значениям, чем от дневных к ночным. Это указывает на то, что скорость фотоионизации (образования ионов и электронов в атмосфере при восходе Солнца) больше скорости обратного процесса – рекомбинации (при закате Солнца). Это наиболее выражено на трассе вдоль одного меридиана JJI (Япония) – Мохсоголлох.

Высота Солнца над горизонтом от зимы к лету увеличивается, значит увеличивается поток ультрафиолетового и рентгеновского излучения (основной источник ионизации дневной нижней ионосферы), при этом граница концентрации электронов становится резче. От резкой плотной границы электронов радиоволны отражаются с меньшими потерями. Поэтому от зимы к лету наблюдается рост амплитуды радиосигналов, принимаемых днем со всех рассмотренных мной направлений. Мной обнаружено, что этот эффект размыт, когда передатчик и приемник расположены в разных полушариях: NWC (Австралия) – Мохсоголлох.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Новизна моей работы: получены сведения о свойствах нижней ионосферы в отсутствие геофизических возмущений путем непрерывной регистрации амплитуды ОНЧ радиосигналов, распространяющихся на тысячи километров вдоль радиотрасс, расположенных как вдоль параллели, вдоль меридиана, так и при распространении с южного полушария в северное.

Сетью радиотрасс можно охватить большую территорию, где другими методами затруднено проведение мониторинга.

ЛИТЕРАТУРА