Уровень электромагнитного фона КВ диапазона тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи УДК 538.566

КОЛЕСНИК "смертей Анатольевич

УРОВЕНЬ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ФОНА КВ ДИАПАЗОНА

01.04.03 - Радиофизика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Томск - 1997

Работа выполнена в Сибирском физико-техническом институте при Томском государственном университете

Научный руководитель: к. ф.-м. н., с.н.с. Нагорский П.М.

Официальные оппоненты: д. ф.-м.н., профессор Семенов B.C. д. ф.-м.н., профессор Кошелев В.Б.

Ведущая организация:

Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн РАН

Защита состоится Л 1997г. в 14.30 час. на заседании

Диссертационного совета К 063.53.3 но присуждению ученой степени кандидата физико-математических наук в Томском государственном университете (634050, г.Томск, пр. Ленина, 36).

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Томского государственного университета.

Автореферат разослан

й-^и/е-ГЫ 1997г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Роль коротковолнового (КВ) диапазона в радиосвязи и вещании хорошо известна. Несмотря на широкое развитие систем связи и вещания в других частотных диапазонах, системы, базирующиеся на КВ диапазоне, продолжают развиваться высокими темпами. С увеличением мощности отдельно взятых радиостанций и их общего количества, растет общий уровень электромагнитного поля в окружающей среде и уровень взаимных помех. Так мощность только радиовещательных станций составляет несколько сот мегаватт. Аналогичная картина электромагнитного загрязнения наблюдается и для других систем, эксплуатирующих КВ радиодиапазон.

В последние годы, наряду с традиционными факторами (химический и радиационный) загрязнения окружающей среды, привлекают внимание факторы электромагнитного происхождения. Такое внимание обусловлено следующими причинами. Во-первых, за последние десятилетия уровень электромагнитного фона антропогенного происхождения на несколько порядков величины превысил соответствующий уровень фона естественного происхождеиия, что с точки зрения экологии всего живого на Земле следует рассматривать как скачок с неизвестными последствиями. Во-вторых, в научной литературе имеются убедительные экспериментальные данные, которые указывают на прямое воздействие электромагнитных излучений различных частотных диапазонов на живые организмы, включая человека. В полной мере это относится и к КВ радиодиапазону (3 — 30МГц). Проблема оценки состояния электромагнитного поля КВ радиодиапазона естественного и антропогенного происхождения в окружающей среде включает в себя поиск и изучение характеристик источников полей, перенос электромагнитной энергии в околоземном пространстве, анализ механизмов ее потерь, требует разработки методов контроля и прогноза пространственно-временного распределения плотности электромагнитной энергии КВ радиодиапазона в окружающем пространстве. К настоящему моменту времени проведены детальные экспериментальные исследования процессов распространения радиоволн, позволившие установить статистические закономерности, связывающие характеристики электромагнитных полей от конкретного источника с характеристиками трассы распространения. Созданы математические методы расчета характеристик полей КВ радиодиапазона, предназначенные для целей связи, локации, навигации, пеленгации, диагностики и контроля состояния окружающей среды

с учетом влияния гелиогеофизических и антропогенных факторов. Вместе с тем, проведенные исследования вообще не затрагивают вопросов, связанных с процессами переноса и формирования пространственно - временного распределения электромагнитной энергии от реально существующего континуума источников естественного и антропогенного происхождения в диапазоне 3 Ч- ЗОМГц.

Целью диссертапии является:

- разработка математической модели пространственно - временного распределения плотности потока мощности КВ радиоизлучения в околоземном пространстве и проведение серии численных экспериментов на модели для оценки уровня электромагнитного загрязнения окружающего пространства в планетарном масштабе;

- разработка измерительно - вычислительного комплекса, методики проведения экспериментальных исследований вариаций уровня электромагнитного фона КВ радиодиапазона в режиме мониторинга и проведение серии экспериментов для выявления закономерностей электромагнитного загрязнения окружающей среды.

Проведенные исследования позволили сформулировать следующие основные результаты и положения, выносимые на защиту.

1. Математическая модель, позволяющая получать пространственно - временное распределение плотности потока мощности радиоизлучения КВ диапазона в околоземном пространстве (/¿=0-1000км), создаваемого континуумом источников космического и земного происхождения, при различных гелпо-геофизических условиях в планетарном масштабе.

2. Результаты численных экспериментов по количественому исследованию уровня электромагнитного фона КВ радиодиапазона в планетарном масштабе, а именно:

а) плотность потока электромагнитного загрязнения северного полушария превосходит на 2-3 порядка величины соответствующую плотность потока в южном полушарии, а наибольшие значения потока мощности радиоизлучения сосредоточены в европейской части на высотах основания ионосферы (60— ЮОк.и);

б) в южном полушарии на поверхности Земли и в ее атмосфере существуют области (Антлаитический и Индийский океаны), где уровень естественного радиоизлучения сравним или даже превышает уровень антропогенного радиоизлучения; этот эффект наиболее ярко выражены во время декабрьского солнцестояния;

в) в среднем за сутки земной поверхностью поглощается ~20%, ионосферой — ~30% и "покидает" околоземное пространство ~50% всей энергии, излученной мировой сетью радиовещательных станций, а основные каналы "утечки" электромагнитной энергии расположены в области высоких широт (0 > 70°) и восходного терминатора.

3. Результаты мониторинговых исследований уровня электромагнитного фона КВ радиодиапазона в условиях Томского региона, а именно:

а) суточный ход суммарной плотности потока мощности излучения в зимнее время года имеет одномодальное распределение, которое переходит в бимодальное в летних условиях;

б) в годовом цикле максимум средней за сутки плотности потока мощности КВ радиоизлучения приходится на летние месяцы и составляет Р ~ 8 • 10~8Вт/м2Гц.

Достоверность полученных результатов и выводов определяется физической обоснованностью феноменологического подхода при моделировании, использованием достаточно больших рядов данных наблюдений и численных экспериментов, позволяющих сделать достоверные количественные оценки уровня электромагнитного фона КВ радиодиапазона, и подтверждается сравнением результатов полученных экспериментальных данных с модельными расчетами, а также с экспериментальными результатами других авторов.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. На основе феноменологического подхода в теории переноса излучения разработана и реализована на ЭВМ математическая модель, позволяющая получать пространственно - временное распределение плотности потока мощности КВ радиоизлучения в околоземном пространстве, при различных гелио-геофизических условиях в планетарном масштабе.

2. Разработан и реализован измерительно - вычислительный комплекс непрерывного мониторинга уровня электромагнитного фона в диапазоне частот от 1 до 32МГц.

3. На базе численных экспериментов, проведенных на модели, и экспериментальных данных, полученных на измерительно - вычислительном комплексе, исследованы вариации уровня электромагнитного фона КВ радиодиапазона, и установлено, что:

а) уровень электромагнитного фона и его вариации в околозем-

ном пространстве в основном контролируется мировым временем и определяется источниками, расположенными в Европе;

6} суточный ход суммарной плотности потока мощности излучения зимой имеет одномодальное распределение, а летом - бимодальное;

в) максимум среднесуточной плотности потока мощности КВ радиоизлучения приходится на летние месяцы года.

Научная и практическая ценность работы.

1. Математическая модель пространственно - временного распределения плотности потока мощности КВ радиоизлучения используется для количественного описания уровня электромагнитного загрязнения и его вариаций (суточные, сезонные) для произвольного региона земного шара и может быть использована:

а) для оптимального планирования дорогостоящих экспериментальных наземных и спутниковых исследований уровня электромагнитного фона в околоземном пространстве, включая эксперименты по активному воздействию на ионосферную плазму мощным КВ радиоизлучением;

б) для долгосрочного и краткосрочного прогноза работы и выбора оптимальных параметров мировой сети КВ радиостанций.

2. Измерительно - вычислительный комплекс, представленный в диссертации, позволяет проводить непрерывный мониторинг уровня электромагнитного фона в диапазоне частот от 1 до 32МГц для исследования уровня электромагнитного загрязнения окружающей среды и ионосферных каналов распространения радиоволн.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на XII Международном симпозиуме по электромагнитной совместимости ЕМС (Вроцлав, 1994г.), IV Международной научно-технической конференции по распространению и дифракции электромагнитных волн в неоднородных средах (Вологда, 1994г.), Всероссийской научно-практической конференции " Конверсия вузов - защите окружающей среды" (Екатеринбург, 1994г.), Международной конференции по физике солнечно-земных связей (Алматы, 1994г.), Международной конференции по распространению электромагнитных волн (Москва, 1995г.), II Международном симпозиуме по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии (Санкт-Петербург, 1995г.), Сибирском совещании по климатоэкологическому мониторингу (Томск, 1995г.), Международной конференции по фундамен-

тальным и прикладным проблемам охраны окружающей среды (Томск, 1995г.), Региональной научно-технической конференции по достижениям в радиофизике л радиоэлектронике (Иркутск, 1995г.), Международном симпозиуме по мониторингу окружающей среды и проблемам солнечно-земной физики (Томск, 1996г.), Международном симпозиуме PIERS (Иннсбрук, 1996г.), Сибирском совещании по кли-матоэкологическому мониторингу (Томск, 1997г.).

Взаимоотношения с соавторами. Основные результаты диссертации, опубликованные в 18 работах, являются оригинальными и получены лично автором. Совместно с руководителем была определена общая программа исследований и ее отдельные этапы. Разработка математической модели пространственно - временного распределения плотности потока мощности KB радиоизлучения, создание пакета Фортран - программ и проведение численных расчетов на ЭВМ, разработка измерительно - вычислительного комплекса были проведены автором лично. Реализация измерительно - вычислительного комплекса и проведение экспериментальных исследований уровня электромагнитного фона производилось совместно с и Б.М.Шинкевичем.

В.А.Беловым

Структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, 22 рисунков, 3 таблиц и списка литературы из 118 наименований. Общий объем — 138 страниц.

Во введении определена актуальность и цель работы, отмечена новизна полученных результатов, их научная и практическая значимость и реализация.

Первая глава посвящена разработке и реализации математической модели пространственно - временного распределения плотности потока мощности радиоизлучения КВ диапазона в околоземном пространстве, создаваемого источниками космического и земного происхождения.

Сформулирована общая постановка задачи, дано ее обоснование на физическом уровне строгости, и предложен способ решения данной задачи, основанный на феноменологическом подходе в теории переноса излучения. Показано, что для количественного описания уровня электромагнитного фона КВ радиодиапазона математическая модель должна включать в себя в качестве основных составных частей:

- модель среды распространения радиоволн;

- модель источников радиоизлучения;

- модель переноса электромагнитной энергии и расчета величины плотности потока мощности радиоизлучения.

Разработана модель среды распространения радиоволн, которая представлена в виде отдельных моделей двух областей, разделенных свободным пространством: земная поверхность и ионизированная оболочка Земли - ионосфера. Эти модели определяют пространственно-временное распределение основных электродинамических параметров среды: показателя преломления и коэффициента поглощения.

Разработана модель источников радиоизлучения антропогенного и естественного происхождения. В качестве основы для построения модели радиоисточников антропогенного происхождения использованы данные каталога расписания работы радиовещательных станций мировой сети КВ радиодиапазона. В модели источников естественного радиоизлучения рассматриваются только источники космического происхождения, так как их поток радиоизлучения как минимум на 20Д6 превосходит поток от атмосферных источников.

Разработана модель переноса электромагнитной энергии и расчета величины плотности потока мощности радиоизлучения от континуума источников естественного и антропогенного происхождения. Обосновано использование геометрооптического приближения и метода расчета уровня электромагнитного фона. Модель позволяет исследовать процессы переноса электромагнитной энергии и рассчитывать пространственно-временное распределение уровня электромагнитного фона в околоземном пространстве от поверхности Земли до высоты 1000км.

Во второй главе представлены и обсуждаются основные результаты численных экспериментов, проведенных на разработанной математической модели пространственно-временного распределения плотности потока мощности КВ-радиоизлучения.

Показано, что распределение плотности потока мощности антропогенного радиоизлучения в диапазоне частот 5-25МГц на земном шаре крайне неоднородно и, в зависимости от местоположения, может изменяться на несколько порядков величины. Установлено, что наибольшие значения потока мощности радиоизлучения сосредоточены в европейской части. Далее выделяются американская и азиатская части земной поверхности с концентрацией плотности в области низких и экваториальных широт северного полушария. Выявлено общее превышение уровня электромагнитного загрязнения в северном полушарии, по сравнению с южным, которое составляет 2-3 порядка

величины плотности потока мощности.

Показано, что плотность энергии и ее распределение в спектре электромагнитного фона КВ радиодиапазона в околоземном пространстве регулируется состоянием ионосферной плазмы, и выявлены основные закономерности ее изменения в зависимости от сезона года, мирового времени и уровней солнечной и магнитной активности. Установлено, что общий уровень электромагнитного загрязнения у поверхности Земли возрастает с увеличением солнечной активности, от низкого значения = 70 до высокого .£10,7 — 220, на порядок величины плотности потока мощности КВ радиоизлучения от источников земного происхождения и уменьшается на несколько порядков от источников космического происхождения.

Исследованы суточные и сезонные вариации плотности потока мощности радиоизлучения антропогенного происхождения в зависимости от расписания работы радиовещательных станций (их планетарного распределения) и солнечного радиоизлучения в зависимости от угла склонения. Показано, что наиболее сильные вариации потока мощности радиоизлучения как по величине плотности потока, так и по перераспределению энергии внутри КВ-диапазона наблюдаются в предвосходные часы вне зависимости от сезона года.

Показано, что в высотном распределении максимум плотности потока мощности радиоизлучения, создаваемый мировой сетью радиовещательных станций, расположен не на поверхности Земли, где расположены основные источники излучения, а на высотах нижней части ионосферы (60-100км). Установлено существование и второго по величине максимума, расположенного на высотах между Е и Г слоями ионосферной плазмы, где поглощение радиоволн минимально.

Исследована роль различных механизмов потерь электромагнитной энергии мировой сети радиовещания в околоземном пространстве. Проведена оценка соотношений долей поглощаемой ионосферной плазмой, поверхностью Земли и ушедшей в космическое пространство энергии в зависимости от мирового времени и всех сезонов года при средних гелио-геофизических условиях. Установлено, что в среднем за сутки в любое время года земной поверхностью поглощается ~20%, ионосферой — ~30% и "покидает" околоземное пространство ~50% всей излученной энергии.

Третья глава содержит экспериментальные результаты мониторинга электромагнитного фона КВ радиодиапазона и их анализ на основе модельных данных.

Рассмотрены общие положения регистрации уровня радиоизлучения для всего КВ радиодиапазона. Применительно к настоящей задаче разработан и реализован автоматизированный измерительно-вычислительный комплекс. Разработана методика проведения измерений в режиме непрерывного мониторинга.

Обсуждаются суточные и сезонные вариации уровня электромагнитного фона, полученные экспериментально в режиме мониторинга. Рассмотрены механизмы переноса электромагнитной энергии, которые подразделяются на распространение земной волной и распространение посредством отражения от ионосферы.

Установлено, что в суточном ходе уровня электромагнитного фона в зимнее время года преобладает одномодальное распределение, переходящее в бимодальное в летних условиях. Проведен анализ годового цикла изменения суммарной плотности потока мощности радиоизлучения в полосе частот б — 32МГц и установлено, что основной максимум уровня электромагнитного фона приходится на летние месяцы года.

Проведен сравнительный анализ экспериментальных результатов мониторинга электромагнитного фона и данных моделирования. Совместный анализ позволил выявить гелио-геофизические условия и диапазоны частот, при которых математическая модель адекватно описывает пространственно - временное распределение плотности потока мощности радиоизлучения КВ диапазона, создаваемого мировой сетью радиовещательных станций.

В заключении приведены основные результаты проведенных исследований.

1. На основании феноменологического подхода разработана и реализована математическая модель, включающая механизм переноса электромагнитной энергии и алгоритм расчета величины плотности потока радиоизлучения. Алгоритм реализован в виде пакета Фортран-программ на ЭВМ типа РС и позволяет получить распределение плотности потока КВ радиоизлучения околоземного пространства (/г=0-1000км) в конкретных гелиогеофизических условиях для заданых источников космического и земного происхождения.

2. На разработанной модели произведены исследования характеристик электромагнитного загрязнения окружающей среды, создаваемого мировой сетью КВ радиостанций и солнечным радиоизлучением, установлены новые свойства и закономерности, а именно:

а) главную роль в формировании пространственно-временного распределения плотности потока радиоизлучения играет текущее со-

стояние ионосферной плазмы и неравномерное распределение КВ -передатчиков по земному шару. Выявлены основные закономерности вариаций уровня электромагнитного загрязнения в зависимости от уровня солнечной и геомагнитной активностей, сезона года, мирового времени, широты и долготы;

б) количественные оценки суммарных потерь электромагнитной энергии в околоземном пространстве позволили установить, что в среднем за сутки земной поверхностью поглощается ~20%, ионосферой --30% и "покидает" околоземное пространство ~50% всей

энергии, излученной мировой сетью радиовещательных станций;

в) выявлены основные механизмы и определены наиболее важные каналы переноса электромагнитной энергии в планетарном масштабе. Показано, что основные каналы обмена электромагнитной энергией, создаваемой источниками земного и космического происхождения, расположены в области высоких широт {в > 70°) и восходного терминатора.

3. Обоснована и реализована методика мониторинга электромагнитного фона КВ радиодиапазона. Разработан и реализован измерительно - вычислительный комплекс непрерывного мониторинга уровня электромагнитного фона КВ радиодиапазона (диапазон частот 1 — 32МГц). Анализ данных круглогодичного мониторинга позволил установить:

а) основной максимум в годовом ходе вариаций средней за сутки плотности потока КВ - излучения приходится на летние месяцы;

б) суточпый ход суммарной плотности потока излучения в зимнее время года имеет одномодальное распределение, которое переходит в бимодальное в летних условиях;

в) наибольший перепад уровней электромагнитного фона в течение суток регистрируется зимой.

4. Сравнительный анализ экспериментальных данных с модельными расчетами позволил определить конкретный вклад в формирование уровня электромагнитного поля во всем КВ диапазоне состояния ионосферной плазмы, временного распределения критических частот F2 области и эффективной частоты электронных соударений в нижней части ионосферы. Удовлетворительное согласие экспериментальных и модельных данных является прямым доказательством прогностических возможностей развитой модели на основе феноменологического подхода в теории переноса электромагнитного излучения.

Автор благодарен руководству отдела радиофизики, отдела reo-

физики и экологии СФТИ, кафедры радиофизики, кафедры космической физики и экологии ТГУ, сотрудникам этих подразделений за помощь в получении и обсуждении результатов, изложенных в диссертации, за полезные дискуссии и внимание, способствовавшие выполнению диссертационной работы.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Колесник А.Г., Колесник С.А., Нагорский П.М. Роль ионосфер-

ной плазмы в формировании электромагнитного поля KB - диапазона в окружающей среде// Изв. ВУЗ'ов Физика. 1996. N10. С.16-23.

2. Колесник А.Г., Колесник С.А., Нагорский П.М. Электромаг-

нитное загрязнение окружающей среды в коротковолновом радиодиапазоне при различных уровнях солнечной активности// Геомагнетизм и аэрономия. 1996. N6. С.59-66.

3. Белов В.А., Колесник А.Г., Колесник С.А., и др. Проблемы элек-

тромагнитной экологии// Конверсия. Спец.вып. "Конверсия вузовской науки: экологические технологии и оборудование". 1996. N6. С.43-45.

4. Belov V.A., Kolesnik A.G., Kolesnik S.A. at el. Modeling of

Electromagnetic Field Density Distribution in the Near-Earth Space// International Wroclaw Symp. on Electromagnetic Compa-bility. 1994. P.401-405.

5. Kolesnik A.G., Kolesnik S.A., Nagorsky P.M. Modeling of Electromag-

netic Field Level Frequency Distribution in HF-Band// Progress in Electromagnetic Research Symposium. Innsbruck, Austria. 8-12 July 1996. P.503.

6. Kolesnik A.G., Kolesnik S.A., Nagorsky P.M., Shinkevich B.M.

Radiotechnical Complex for Remote Diagnostics of Lower Ionosphere Parameters// The Scientific Conference on Use of Research Conversion Results in the Siberian Institutions of Higher Education for International Cooperation (Sibconvers'95). Tomsk. 1995. P.17-18.

7. Колесник А.Г., Колесник С.А., Нагорский П.М. Частотное рас-

пределение уровня электромагнитного поля КВ-диапазона// II Международный симпозиум по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии. Санкт-Петербург. 1995. С.43-44.

8.Колесник С.А. Влияние ионосферной плазмы на распределение уровня космического радиоизлучения КВ-диапазона// Международная конференция 100-летие начала использования электромагнитных волн для передачи сообщений и зарождения радиотехники, тезисы докладов. М.: Изд. журнала "Радиотехника". 1995. Часть 2. С.40-41.

9. Белов В.А., Колесник А.Г., Колесник С.А. и др. Метод оценки и

прогноза состояния электромагнитного фона КВ-диапазона// Конверсия вузов - защите окружающей среды, Всероссийская научно - практическая конференция, тезисы докладов. Екатеринбург. 1994. С-20.

10. Белов В.А., Колесник А.Г., Колесник С.А. и др. Измерительно-

вычислительный комплекс для экологического мониторинга электромагнитных полей в окружающей среде// Международная конференция по физике солнечно-земных связей, тезисы докладов. Алматы. 1994. С.76.

11. Белов В.А, Колесник А.Г., Колесник С.А. и др. Проблемы элек-

тромагнитной экологии// Международная конференция "Фундаментальные и прикладные проблемы охраны окружающей среды". Томск. 1995. Т.1. С.55-57.

12. Колесник А.Г., Колесник С.А., Нагорский П.М. Влияние ионосферной плазмы на распределение уровня космического радиоизлучения КВ-диапазона// Региональная научно-техническая конференция "Достижения радиофизики и радиоэлектроники в приложении к развитию Восточной Сибири", тезисы докладов. Иркутский госуниверситет. 1995. С.5-9.

13. Колесник С.А. Роль ионосферной плазмы в переносе электромагнитного излучения КВ-диапазона// Международный симпозиум "Мониторинг окружающей среды и проблемы солнечно-земной физики", посвященный 60-летию регулярных ионосферных исследований в России. Томск: Изд. НТЛ. 1996. С.75-76.

14. Колесник С.А. Сезонно-суточные вариации уровня электромагнитного фона КВ-диапазона// Международный симпозиум "Мониторинг окружающей среды и проблемы солнечно-земной физики", посвященный 60-летию регулярных ионосферных исследований в России. Томск: Изд. НТЛ. 1996. С.76-77.

15. Колесник С.А., Королев С.С. Влияние ионосферной плазмы на

пространственно-временное распределение плотности электромагнитного поля КВ-диапазона// Распространение и дифракция электромагнитных волн в неоднородных средах, 4-ая Международная научно-техническая конференция, тезисы докладов, М.:МГТУ. 1994. С.192-195.

16. Колесник С.А., Нагорский П.М. Моделирование распределения электромагнитного поля// Распространение и дифракция электромагнитных волн в неоднородных средах, 4-ая Международная научно-техническая конференция, тезисы докладов. М.:МГТУ. 1994. С.191-192.

17. Колесник С.А., Нагорский П.М. Сезонно-суточные изменения плотности потока радиоизлучения КВ-диапазона в околоземном пространстве// Международная конференция по физике солнечно-земных связей, тезисы докладов. Алматы. 1994. С.63-

18. Колесник С.А., Нагорский П.М. Влияние характеристик Земли на распределение электромагнитного поля в коротковолновом диапазоне// Международная конференция по физике солнечно-земных связей, тезисы докладов. Алматы. 1994. С.64-65.

64.