[ X ]

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ B

РЕЗОНАНС ШУМАНА В ПОЛОСТИ ЗЕМЛЯ - ИОНОСФЕРА

Sergio Toledo Redondo

 

Настоящая публикация представляет собой перевод комментариев к инфографике доклада сотрудника Европейского Космического Агентства Серхио Толедо Редондо (Мадрид, Испания), сделанного им на семинаре Шведского Института Космической Физики (Institutet for RymdFysik - IRF) в Уппсале 6 ноября 2013 года.

Перевод c английского © Janto.

Оригинал здесь: Schumann resonances in the Earth-ionosphere cavity.

Несморя на минимум текстового материала данный документ дает хорошее панорамное представление о об основных современных направлениях исследований и проблематики резонанса Шумана.

ВНИМАНИЕ! В связи с большим объемом иллюстраций загрузка страницы может занять некоторое время.

 

Введение

Полость Земля - Ионосфера

Глобально Земля может рассматриваться как проводящая сфера, окруженная воздухом. Однако, начиная с высот 40-50 км, проводимость нижнего слоя ионосферы начинает расти. Такая структура формирует электромагнитную полость со своими собственными резонансными модами в диапазонах ELF (резонанс Шумана) и ULF (атмосферики). В данной полости могут присутствовать два типа стоячих волн: поперечная электрическая (TEr) и поперечная магнитная (TMr).

Примечание Janto: В русскоязычной литературе аналогом диапазона ELF (extremaly low frequency) является диапазон СНЧ (сверхнизких частот, 30 -300 Гц), а аналогом диапазона ULF (ultra-low frequency) является диапазон УНЧ (ультра-низких частот, 300 - 3000 Гц).

Источник иллюстрации: Nickolaenko, A. P., and M. Hayakawa, Resonances in the Earth - Ionosphere Cavity, Kluwer Acad., Dordrecht, The Netherlands, 2002.

Здесь: Air - воздух, Ionosphere - ионосфера, Earths surface - поверхность Земли, conductors - проводники, dielectric - диэлектрик, conductivity profiles - профили проводимости, Night profile - ночной профиль, Day profile - дневной профиль, Conductivity - проводимость, Altitude - высота.

Волны в полости Земля - Ионосфера

Эскиз низкочастотных волн, обнаруживаемых в тропофсере-ионосфере

Источник иллюстрации: F. Simoes, R. Pfaff, JJ. Berthelier, and J. Klenzing, A review of low frequency electromagnetic wave phenomena related to tropospheric-ionospheric coupling mechanisms, Space Sci Rev, 168:551-593, 2012.

Здесь:

  1. Schumann resonances - резонансы Шумана;
  2. Atmospherics - атмосферики;
  3. Geomagnetic pulsations - геомагнитные пульсации;
  4. Alfven waves (magnetosonic) - волны Альфвена (магнитоакустические);
  5. Alfven waves (shear) - волны Альфвена (поперечные);
  6. Whistler - свистовая волна (то же, что вистлер или свистящий атмосферик);
  7. VLF propagation - СНЧ распространение;
  8. VLF reflection - СНЧ отражение;
  9. VLF subionospheric - СНЧ субионосферик,

а также: Magnetic Field Line/Plasmapause - линия магнитного поля/плазмопауза; ~350 km (F-peak) - верхняя граница слоя F ионосферы; ~100 km - нижняя граница ионосферы.

Атмосферное электричество

В каждый момент на Земле отмечается около 2000 гроз. Существует 4 экваториально-тропические зоны, где грозы происходят наиболее часто: Центральная Африка, Южная и Центральная Америка, Карибский бассейн и Юго-Восточная Азия с Индонезией.

Годовое распределение глобальной грозовой активности (молний на кв. км в год)

Источник иллюстрации: H.J. Christian et al., Global frequency and distribution of lightning as observed from space by the Optical Transient Detector. J. Geophys. Res., vol. 108(D1), pp. 4005, 2003.

Роль молний

A. Генерирование молний B. Влияние трех основных зон

Источник иллюстрации A: D. Siingh, RP. Singh, AK. Kamra, PN. Gupta, R. Singh, V. Gopalakrishnan, AK. Singh, Review of electromagnetic coupling between the Earth's atmosphere and the space environment, J. Atm. Solar-Terr. Phys., 67, 637-658, 2005

Здесь:

  • Convection, JC - ток конвекции JC;
  • Lightning, JL - ток молнии JL;
  • Precipitation, JP - ток осадков JP;
  • Point Discharge JE - точечный разряд JE;
  • Charge Separation Current - ток разделения зарядов;
  • Conduction, JE - ток проводимости JE.

Источник иллюстрации B: Nickolaenko, A. P., and M. Hayakawa, Resonances in the Earth - Ionosphere Cavity, Kluwer Acad., Dordrecht, The Netherlands, 2002.

Здесь:

  • Lightning Activity, a.u. - грозовая активность, в относительных единицах;
  • UT hr - Всемирное время, час.

Сейсмоэлектромагнетизм

Источник иллюстрации: www.isfep.com, сайт ISFEP - Международного сообщества по предвестникам землетрясений.

Здесь:

  • Lithosphere, Atmosphere, Ionosphere - литосфера, атомосфера и ионосфера соответственно;
  • LAI Coupling - взаимосвязь литосферы, атмосферы и ионосферы в предверии землетрясения;
  • Electron density change - изменение концентрации (плотности) электронов;
  • Air/Borehole VLF antenna - воздушная/скважинная УНЧ-антенна;
  • VHF Antenna - УКВ антенна;
  • Heating, Ground motion, Positive Hole Diffusion - нагрев, движение пород, дырочная диффузия;
  • F layer - слой F ионосферы;
  • EM/ULF Emission - электромагнитное/УНЧ излучение;
  • Thundercloud/C-G Lightning - грозовое облако/молния облачность-земля;
  • Hypocenter - эпицентр землетрясения;
  • Discharge/Resistivity Change/Electrokinetic - разряд/изменение сопротивления/электрокинетика;
  • Microfracture/Radon etc Emission - микротрещины/эманация радона и др. газов;
  • Atmospheric gravity wave - приливная волна в атмосфере.

Типовой спектр резонанса Шумана

Спектр резонанса Шумана, записанный 4 февраля 2008 года в Антарктике. Различимы до 8-ми резонансов.

Сферическая оболочка волновода из идеальных проводников, без потерь

Амплитуда мод резонанса Шумана для источника с координатой θ = 0 (Северный полюс).

Примечание Janto: приведенные здесь расчетные значения частот несколько отличаются от значений для классической сферической модели (см. таблицу в п.1.4 главы 1) в связи с использованием более совершенной методики расчета Transmission-Line Modelling - TLM.

 

Численные модели

Метод моделирования линиями передачи (Transmission-Line Modelling - TLM)

TLM - численный метод, предназначенный для временнОй области, основанный на заданий схемы линий передачи, ведущих себя единообразно, т.е. подчиняющихся одним и тем же дифференциальным уравнениям. Время и пространство при этом дискретизированы и ячейки или TLM-узлы ассоциированы с диффернциальными значениями.

Эволюция импульсов, распространяющихся по TLM-сетке.

Источник иллюстрации: C. Christopoulos, The Transmission-line modeling method: TLM, The institute of Electrical and Electronic engineers, Piscataway, NJ, 1995.

На каждом шаге времени каждый узел преобразует входящий импульс Vi в отраженный импульс Vr с помощью матрицы рассеяния S, задающей параметры узлов:

 

Vin = SVrn

 

Численная модель (TLM) полости Земля-ионосфера

• Полость моделируется двумя идеально проводящими сферами - литосферой (r1 = 6370 км) и нижним слоем ионосферы (r2 = 6470 км). Высота атмосферы - 100 км.

• Для учета проводимости атмосферы используется линейно-кусочная модель.

• Пространство между сферами моделируется кубическими ячейками с размером ребра 10 км и общим числом до 5х107.

• Вычисляется 2.5х105 итераций (на 4 секунды), что дает разрешение по частоте 0,25 Гц. Для вычисления на 32-х процессорном компьютере требуется 36 часов.

Источник иллюстрации: S. Toledo-Redondo, A. Salinas, J.A. Morente-Molinera, A. Mendez, J. Fornieles, J. Porti, and J.A. Morente, Parallel 3D-TLM algortithm for simulation of the Earth-ionosphere cavity, J. Comp. Phys., 236, 367–379, 2013.

Полость Земля-ионосфера без потерь.

Результаты моделирования полости Земля-ионосфера без учета профиля проводимости, с размером ячеек 5 и 10 км. Данные результаты хорошо согласуются с аналитическими расчетами.

Ошибка для частот резонанса составляет менее 3% для 10 км ячеек и менее 1,5% для 5 км ячеек. Требуемое время вычисления на 32-х процессорном компьютере приблизительно 21 час и 7 дней соответственно.

Модель изменения амплитуды гармоник в полости Земля-ионосфера.

Зависимость амплитуды от расстояния до источника, полученная численным методом TLM. Хорошо согласуется с аналитическими моделями.

Зависимость амплитуды резонанса Шумана от углового расстояния до источника (θ), полость без потерь

Полость Земля-ионосфера с потерями

Результаты моделирования полости с профилем проводимости и размером ячеек 5 км и 10 км. Хорошо согласуются с теоретическими результатами. В полости с потерями частота резонанса Шумана зависит от расстояния до источника, что согласуется с последними измерениями, проведенными Satori и др.

Полость с потерями имеет меньшие значения центральных частот и добротностей.

Источник иллюстрации: G. Satori, V. Mushtak, M. Neska, T. Nagy, and V. Barta, Global lightning dynamics deduced from Schumann resonance frequency variations at two sites ? 550 km apart, European Geosciences Union General Assembly, Vienna, 22-27 April 2012.

Модель полости Земля-ионосфера, вариации частоты

Влияние гипотетических предвестников землетрясений на резонанс Шумана

• Источник (одиночный положительный разряд облако - земля) расположен на северном полюсе (θ = 0).

• Параметры предвестника землетрясения фиксированы: местоположение (θ), магнитуда (M), вариация проводимости (h).

• Пункты наблюдения расположены вдоль координаты θ.

• В качестве измеряемого параметра резонанса Шумана используется вектор Пойнтинга.

Вариация вектора Пойнтинга для предвестника землетрясения с M=8.

Вариация вектора Пойнтинга для предвестника землетрясения с M=7.

Вариация вектора Пойнтинга для предвестника землетрясения с M=6.

Пример 1: землетрясение на Тайване 26-12-2006

• Землетрясение: M=7,3 (r=1377 km), эпицентр на Тайване (22°N, 120.48°E).

• Пункт наблюдения: станция измерения РШ Мошири (44.29°N, 142.21°E).

• Источник находился, предположительно, в Американском бассейне (0N°, 50°W).

Источник иллюстрации в левой части: M. Hayakawa et al., Anomalous ELF phenomena in the Schumann resonance band as observed at Moshiri (Japan) in possible association with an earthquake in Taiwan, Nat. Hazards Earth Syst. Sci., 8, 1309-1316, 2008. Источник иллюстрации в правой части: численное TLM моделирование.

Пример 2: землетрясение Чи-чи 21-09-1999

• Землетрясение: M=7,6 (r=1850 km), эпицентр на Тайване (23.77°N, 120.98°E).

• Пункт наблюдения: станция измерения РШ Накацугава (35.4°N, 137.5°E).

• Источник находился, предположительно, в Американском бассейне (0N°, 50°W).

Источник иллюстраций в левой части: M. Hayakawa et al., Anomalous ELF phenomena in the Schumann resonance band as observed in Japan, possibly associated with the Chi-chi earthquake in Taiwan, Annales Geophysicae, 23, 1335-1346, 2005. Источник иллюстраций в правой части: численное TLM моделирование.

Асимметрия день-ночь

Была расчитана модель для различных профилей дня и ночи на дату равноденствия. Источник (одиночная молния) локализован на экваторе в 00, 06, 12 и 18 часов местного времени.

 

Наблюдение

Спектральный анализ записей резонанса Шумана

Спектральная оценка по методу Бартлета уменьшает шум ценой уменьшения разрешения преобразования Фурье по частоте. Аппроксимация по методу Лоренца каждого резонанса позволяет квантовать их по амплитуде, центральной частоте и добротности.

Магнитотеллурический метод

Развертывание датчиков на полигонах. Записываются три магнитных компоненты и две электрических.

Источник иллюстрации: L. Cagniard, Basic theory of the magnetotelluric method of geophysical prospecting, Geophysics, vol. 18(3), pp. 605-635, 1953.

МТ мониторинг в Испании, Марокко и Антарктике

Размещение МТ полигонов в данном примере (Западное полушарие и Антарктика) и расстояние до главных грозовых центров (Малайзия, Руанда, Флорида и Аргентина).

Источник иллюстрации: S. Toledo-Redondo, A. Salinas, J. Porti, J.A. Morente, J. Fornieles, A. Mendez, J. Galindo-Zaldivar, A. Pedrera, A. Ruiz-Constan, and F. Anahnah, Study of Schumann resonances based on magnetotelluric records from the western Mediterranean and Antarctica. J. Geophys. Res., vol. 115, pp. D22114, 2010.

Спектрограммы резонанса Шумана

Слева - 14-часовая спектрограмма на полигоне в Марокко, 5-6 февраля 2006 г. Справа - 14-часовая спектрограмма на полигоне в Антарктике, 29-30 января 2008 г. Наблюдаются спектральные резонансные структуры (spectral resonance structures - SRS).

Станция наблюдения за резонансом Шумана в Национальном парке Сьерра Невада

Станция наблюдения за резонансом Шумана была развернута командой автора доклада Редондо в Национальном парке Сьерра Невада (Испания) на всоте 2500 м над уровнем моря.

Станция резонанса Шумана: конструкция и размещение

• Размещение: Национальный парк Сьерра Невада (37°N, 3°20' W), 2500 м над уровнем моря.

• Включает два индуктивных магнитометра.

• Функционирует с 18 июля 2012 г.

• Очень высокая чувствительность (1,9 мВ/пТл/Гц).

• Отношение сигнал/шум для сигнала амплитудой 0,1 пТл и частотой 10 Гц - 16 дб.

• Полоса пропускания: 0,01 - 25 Гц.

• Питание от солнечных панелей и батарей.

• Данные автоматически передаются по сети GSM.

• Синхронизация по сигналу часов GPS.

Источник иллюстрации: J. Fornieles, A. Salinas, S. Toledo-Redondo, A. Mendez, and J. Porti, Extremely Low Frequency Band Station for Natural Electromagnetic Noise Characterization, IEEE Trans. Antennas Propag., submitted, 2013.

Станция резонанса Шумана: первые результаты

Вверху - недельная (7-14 сентября 2012 г.) спектрограмма. Видны три резонанса.

Внизу слева - 6-часовой калиброванный спектр магнитного поля.

Внизу справа - авторегрессионная модель для вычисления параметров резонанса.

Регистрация резонанса Шумана из космоса

Механизм «просачивания» пока исследован недостаточно.

СНЧ измерения со спутника C/NOFS (высота 700 км, экваториальная орбита). Виден резонанс Шумана.

Источник иллюстрации: F. Simoes, R. Pfaff, JJ. Berthelier, and J. Klenzing, A review of low frequency electromagnetic wave phenomena related to tropospheric-ionospheric coupling mechanisms, Space Sci Rev, 168:551-593, 2012.

Первая частота среза, измеренная спутником DEMETER

Измерение электрического поля спутником DEMETR позволило вычислить частоту среза волновода по минимуму энергии. Был разработан алгоритм усреднения заданной области спектра и автоматического поиска частоты среза fc. Эффективная высота отражения ионосферы может быть получена с помощью формулы:

 

h = C/2fc, где C - скорость света.

Источник иллюстрации: S. Toledo-Redondo, M. Parrot, and A. Salinas. Variation of the first cut-off frequency of the Earth-ionosphere waveguide observed by DEMETER, J. Geophys. Res., vol. 117, pp. A04321, 2012.

Сезонные вариации высоты ионосферы

Ежегодно повторяющиеся сезонные паттерны высот ионосферы

Другие величины, которые могут быть измерены

Может быть вычислена плотность электронов и эффективная проводимость на высоте отражения.

Частота среза как индикатор солнечной активности?

Сравнение солнечного излучения на длине волны 10,7 см (параметр солнечной энергии F10.7) и глобальной частоты среза, зарегистрированной спутником DEMETER.

 

Выводы

Настоящее и будущее резонанса Шумана

• Резонансы Шумана теснейшим образом связаны с глобальной грозовой активностью и, соответственно, с климатическими явлениями в тропосфере. Они могут быть использованы в качестве инструмента для изучения климата.

• Резонансы Шумана могут быть также использованы для исследования и мониторинга изменений в нижнем слое ионосферы, вызванных, например, дневной/ночной асимметрией, солнечными вспышками или ядерными взрывами.

• Резонансы Шумана могут представлять интерес при исследования других небесных тел. Их существование предполагает наличие электрической активности в атмосфере планет и спутников.

• Предполагается использование резонансов шумана как инструмента прогнозирования землетрясений. Однако сопутствующие физические механизмы пока не ясны и наблюдения не позволяют сделать однозначные выводы.

• Аналитические расчеты полости Земля-ионосфера становятся мало эффективными, за исключением сильно упрощенных моделей.

• Числовые модели полости Земля-ионосфера являются весьма сложными по причине большого диапазона размеров (100 км высота и 6400 км радиус).

• Случайных характер молний затрудняет интерпретацию наблюдений резонанса Шумана. Требуется углубление понимания механизмов глобальной грозовой активности.

 

Приложения

Возмущения, вызываемые землетрясениями

• Изученные возмущения включают локальные вариации атмосферной проводимости.

• Возмущения подчиняются гауссовому распределению в пространстве с максимумом в эпицентре землетрясения.

• Полный радиус возмущения определяется магнитудой землетрясения (r = 1000.43M) [1].

• Изменение степени возмущения, предположительно, связано с изменением высоты профиля проводимости (h=5, 10, 20, 40 км) [2]

(1) S. Pulinets and K. Boyarchuk, Ionospheric precursors of earthquakes, pp. 16, Springer- Verlag Berlin, Germany, 2004.

(2) A.P. Nickolaenko et al., Model modifications in Schumann resonance intensity caused by a localized ionosphere over the earthquake epicenter, Annales Geophysicae, 24, 567-575, 2006.

Микроспутник DEMETER

Источник иллюстрации: M. Parrot, Special Issue of planetary and space science ”DEMETER”, Planet. Space Sci., vol. 54, pp. 411-412, 2006

Месячные вариации высоты ионосферы

Для данного исследования были использованы данные за 4 года (2006 - 2009 г.г.). Показана высота эффективного отражающего слоя ионосферы, усредненная по месяцам за все время выборки.

Сезонные изменения первой частоты среза

Эффективная высота, полученная с помощью IRI+MSIS

Карта высот эффективного отражающего слоя на 22.30 местного времени, расчитанная с помощью модели IRI+MSIS

Моделирование атмосфериков

Частота среза волновода без потерь и с потерями

Здесь:

  • vertical electric field as a function of frequency - вертикальное электрическое поле в функции от частоты;
  • lossy waveguide - волновод с потерями;
  • lossless waveguide - волновод без потерь.

Эффект политики циклического распределения памяти компьютера.

Здесь:

  • scalability of TLM algorythm - масштабируемость алгоритма TLM;
  • absolute time of execution - абсолютное время выполнения;
  • relative speedups - относительное ускорение;
  • number of CPUs - количество процессоров.

 

* * *

 

 

поделиться ссылкой

 

Перепечатка без согласования с автором запрещена.
При цитировании обязательно указание автора, названия и активной ссылки на данную страницу
или ссылки на титульную страницу публикации.

 

наверх

 

 

Резонанс Шумана в пространстве Земля - ионосфера

Опубликовано 26.08.16. Последнее изменение - нет.

© Janto 2016