Постановка эксперимента

3.3 Постановка эксперимента

Измерения азимутальных распределений и вариаций интенсивности потока СДВ-атмосфериков проводились на борту научно-исследовательского судна (НИС) "Академик Вернадский" в 42-ом рейсе в период с февраля по апрель 1991 г. Вертикальная электрическая антенна была вынесена на верхнюю точку грот-мачты судна. Две ортогональные магнитные экранированные воздушные рамочные антенны, укрепленные на станине высотой 2.5м. были установлены на верхней (пеленгаторной) палубе по правому борту судна и ориентированы соответственно вдоль и перпендикулярно курсу судна. По кабелям длиной около 100 м. сигналы с электрической и магнитных антенн подавались на вход приемника универсального комплекса, установленного в лаборатории.

Измерение пеленгов велось круглосуточно. Зарегистрированные данные обрабатывались с помощью компьютера и по результатам обработки строились гистограммы азимутальных распределений, накопленных в течение часового (с 12 по 17 февраля) или получасового интервала (все остальное время). Всего за сутки получалось 24 или 48 гистограмм азимутальных распределений и столько же отсчетов в зависимости количества принятых атмосфериков. Пеленг определялся с помощью вектора Умова - Пойнтинга по наиболее мощной высокочастотной начальной части зарегистрированного атмосферика длительностью 2.56 мсек в широкой полосе. Разрешение по азимуту при построении гистограмм составляло 5 . Путем подсчета общего количества зарегистрированных импульсов за те же стандартные интервалы времени измерялись вариации интенсивности потока атмосфериков. Полученные гистограммы и значения потока записывались в виде файлов данных на гибкие магнитные диски и использовались для дальнейшей обработки. Информация о курсе и координатах корабля, необходимая для вычисления азимута прихода атмосферика в географической системе координат, поступала от штурманской службы и регистрировалась в лабораторном журнале.

В Табл.3.3.1 приведены основные данные, описывающие условия проведения морских измерений на борту научно-исследовательского судна "Академик Вернадский". В первой колонке приведены даты наблюдений. Две последующие колонки содержат координаты судна на 12 часов московского времени, причем сначала идет широта (градусы и минуты), а затем - долгота точки наблюдения в тех же единицах измерения. В двух последних колонках приведены моменты локальных восходов и заходов солнца над пунктом приема. Временные данные Табл.3.3.1 приведены в московском декретном (а не летнем) времени.

Табл. 3.3.1. Координаты моменты восходов и заходов по маршруту НИС "Академик Вернадский" в 42 рейсе.

3.4 Результаты измерений вариаций плотности потока СДВ-атмосфериков

На Рис.3.5.а, приведен пример суточного хода интенсивности потока атмосфериков, зарегистрированных в течение 30 и 31 марта 91 г. Здесь вдоль оси х отложено московское время, а по оси y - количество импульсов. Нижняя кривая на графике соответствует реально измеренному потоку, в то время, как верхняя построена с учетом максимальных потерь при регистрации за счет ограниченного быстродействия регистрирующей аппаратуры (см. Табл.3.2.1). Таким образом, истинное значение плотности потока лежит между этими двумя кривыми.

В это время корабль находился в непосредственной близости от юго-восточного побережья Африки и Мадагаскара (см. карту с маршрутом судна, Рис.3.1). В этом фрагменте наблюдаются хорошо выраженные повторяющиеся от суток к суткам максимумы в плотности потока атмосфериков, приходящиеся на 18 часов Мск. Это время согласуется с максимумом активности Африканского мирового грозового центра согласно данным на Рис.3.6, где приведены усредненные по многолетним метеонаблюдениям суточные кривые интенсивности мировых грозовых центров [34]. Временная зависимость потока СДВ импульсов отличается наличием плато, следующего после главного максимума. Положение этого плато совпадает с американским максимумом, тем не менее, как будет показано ниже измерениями азимутов прихода атмосфериков, оно относится к ночной грозовой активности Африки. Минимум активности приходится на период с 6 до 13 часов Мск.

Вариации интенсивности потока атмосфериков, измеренные в другой точке ( вблизи Конакри, Гвинея ) за период 17-19 апреля, приведены на Рис. 3.5.б. По сравнению с графиками на Рис. 3.5.а эти зависимости имеют более сложную структуру, обусловленную влиянием не одного, а двух мировых грозовых центров - Африканского и Американского.

Обзорные графики вариаций интенсивности общего потока атмосфериков за весь период наблюдений приведены на Рис. 3.7 а-ж в верхней части. Цифры между графиками указывают дату измерений. В данных, измеренных за период 12-17 февраля (Рис.3.7.а) наблюдается ограничение уровня потока, вызванное низкой скоростью алгоритма обработки данных. Начиная с марта эта скорость была увеличена почти на порядок, что позволило в дальнейшем достоверно оценивать динамику вариаций потока. Именно для этого случая в п. 3.2 были приведены оценки потерь. На этих же рисунках приведены зависимости парциальных потоков из секторов, охватывающих мировые грозовые центры, а на нижних графиках - суточные зависимости азимутальных центров тяжести потоков из этих секторов. Чтобы не загромождать графики, на них приведены нижние оценки интенсивности потока, т.е. значения, полученные в измерениях.

Из проведенных измерений можно сделать следующий вывод: потоки варьируют в течение суток; эти вариации легко интерпретируются изменением активности континентальных грозовых центров; иных грозовых центров, кроме континентальных не наблюдается.

Известно, что в области сверхнизких частот (СНЧ) ( Шумановские резонансы и выше) уровень шума вследствие малого затухания определяется глобальной грозовой активностью Земли. В связи с этим, представляет интерес сравнить вариации интенсивности потока СДВ атмосфериков с вариациями уровня шума на СНЧ. Такие измерения были проведены 1 и 4 апреля 1991г. на участке маршрута " Академика Вернадского ", охватывающем южную оконечность Африки. Данные по уровням СНЧ шумов были предоставлены П.Г.Фурманом и В.К.Муштаком из исследовательской группы Санкт-Петербургского университета, работавшими по собственной программе одновременно с автором на борту НИС "Академик Вернадский" и любезно согласившимися провести совместные измерения в течение указанных суток.

На Рис.3.8 жирной кривой в относительных единицах представлены графики суточных вариаций амплитуды электрического поля в атмосфере <|E(t)|> вблизи 100 Гц, а тонкой линией интенсивность потока СДВ- атмосфериков N(t) за 1 и 4 апреля 1991г. Отсчеты <|Е(t)|> и N(t) представляют собой усредненные за 24 минуты значения. Время t - московское, которое 1.4.91 совпадает с местным, а 4.4.91 - на 1 час отстает от местного времени.

Из сравнения кривых видно, что в вечерние и утренние часы (период активности Африканских мировых грозовых центров) наблюдается хорошее совпадение хода средней спектральной плотности шума на СНЧ и плотности потока атмосфериков. Для оценки связи были рассчитаны коэффициенты линейной регрессии.

Сравнение коэффициента пропорциональности A между уровнем СНЧ шума и интенсивностью потока СДВ-атмосфериков за разные периоды измерений указывает на стабильность линейной связи от суток к суткам. В то же время, из графиков видно, что эта пропорциональность нарушается в периоды минимальной интенсивности потока атмосфериков. Это нарушение пропорциональности объясняется тем, что за счет малого затухания при распространении в полости Земля - ионосфера уровень регистрируемого шума на СНЧ определяют области грозовой активности, охватывающие всю Землю, в то время , как на СДВ дальность приема ограничена большим затуханием, а также фиксированным уровнем срабатывания входного порогового устройства и ограниченной скоростью регистрации. Таким образом, проведенные сопоставления показывают, что в течение суток существуют периоды в течение которых наблюдается значительная корреляция между интенсивностью потока СДВ атмосфериков и уровнем естественных электромагнитных полей СНЧ диапазона. Это обстоятельство позволяет прогнозировать величину СНЧ шума по измерениям потока СДВ атмосфериков.

По результатам измерений вариаций интенсивности общего потока атмосфериков можно сделать следующие выводы:

1.  Интенсивность потока СДВ атмосфериков может варьировать в течение суток от 2 до 10 раз.

2.  Максимальные значения интенсивности потока за весь период измерений, с учетом систематической погрешности, находились в пределах от 1100 (открытый океан)до 3800 (Гвинейский залив, Конакри) импульсов за получасовой интервал.

3.  Положение пиков интенсивности общего потока в суточных вариациях хорошо привязывается к периодам максимальной активности континентальных мировых грозовых центров.

4.  Суточный ход интенсивности потока, формируемого Африканским центром, отличается наличием плато, характеризующего ночную континентальную грозовую активность.

3.5 Вариации пеленгов источников СДВ атмосфериков

Данные о направлениях прихода атмосфериков накапливались в виде гистограмм. Пара гистограмм W(A), которые проясняют вклад в общий поток атмосфериков (Рис. 3.5.б, стр. 108), приходящих с различных направлений, приведена на Рис. 3.9. Моменты времени измерений помечены стрелками (1 и 2) на Рис. 3.5.б. Вдоль оси х на гистограммах отложен географический азимут прихода атмосфериков ( с учетом ориентации судна) и отмечены направления сторон света. По оси y отложено количество импульсов, принятых в каждом из 72 стандартных секторов шириной 5 градусов. Из сопоставления рисунков видно, что утренний пик в зависимости N(t) на Рис.3.5.а (помеченный цифрой 2) порожден американскими грозами, в то время, как вечерний максимум (помеченный цифрой 1) обусловлен источниками африканского континента.

Результаты измерений пеленгов в Индийском океане показали, что постоянно существуют два преобладающих направления прихода атмосфериков, которые согласуются с местоположением континентальных мировых грозовых центров. Этот факт демонстрируется на Рис.3.10, где приведены усредненные за сутки азимутальные распределения в полярной системе координат, построенные по результатам измерений 14-17 февраля и 12-15 марта. Видно, что хотя основная часть потока сосредоточена в достаточно узких секторах, структура азимутальных распределений имеет многомодовый характер. Тем не менее, чтобы оценить пеленги и характерные размеры мировых грозовых центров, определим средние значения и их дисперсии по азимутальным распределениям за указанные интервалы времени. Средние значения пеленгов <A > и дисперсии s для k-го сектора вычислялись из полученных экспериментально гистограмм W(A) по следующим формулам:

Суммирование по i производилось в пределах соответствующего сектора. Полученные результаты усреднения гистограмм азимутальных распределений представлены на Рис.3.11. Стрелками здесь отмечены средние направления на мировые грозовые центры и их угловые размеры, характеризуемые среднеквадратичными отклонениями.

Чтобы проследить динамику угловых распределений направлений прихода атмосфериков в течение суток и более, были построены трехмерные профили азимутальных распределений, показанные на Рис.3.12 и 3.13.

Специфической особенностью этих азимутальных распределений является очень высокая стабильность расположения максимумов W(A) относительно оси направлений. В течение суток могут наблюдаться изменения уровня максимумов и даже их исчезновение, однако, временные изменения в их угловом положении очень малы. Здесь азимутальные распределения за 15 февраля 1991 г. построены в координатах азимут, время и W(A). Направления на север, восток, юг, запад помечены вдоль абсциссы, метки вдоль ординаты соответствуют 6-часовым интервалам времени. Как можно видеть, максимумы в распределениях W(A) занимают одни и те же угловые положения в течение всего дня, в то время как их амплитуда существенно изменяется.

Азимутальная стабильность еще более заметна на длительных интервалах времени,(см. данные с 14 по 17 февраля, приведенные на Рис.3.13). Данные на этом рисунке представлены в том же виде, что и на Рис.3.12., только каждая кривая соответствует азимутальному распределению источников, усредненному за четырехчасовой период. Результаты четырех последовательных суток показаны вместе с датами.

Из приведенных графиков видно, что основная часть потока атмосфериков сосредоточена в секторах, охватывающих континентальные и островные области, а в течение суток происходит перераспределение активности между ними. Чтобы оценить динамику активности мировых грозовых центров, была проведена обработка данных, с помощью которой общий поток был разделен по этим секторам и парциальные значения потока представлены на обзорных графиках 3.7 а-ж наряду с общим потоком (Общий) кривыми, помеченными соответственно Африка, Америка, Азия, Мадагаскар. В нижней части этих рисунков изображены графики вариаций азимутов, указывающих направление на центры тяжести азимутальных распределений, ограниченных соответствующими секторами и их среднеквадратичных отклонений.