Особенности спектров ультранизкочастотных магнитных полей от горизонтальных токовых источников: модели плоского и сферического волноводов Земля-ионосфера

Выполнены модельные расчёты компонент магнитного поля в диапазоне частот 0,1-30 Гц от источника типа горизонтального магнитного диполя, находящегося в полости Земля-ионосфера. Рассмотрены модели однородных плоского и сферического волноводов, определены преимущества каждой из них и выполнен сравнительный анализ результатов моделирования. Результаты расчётов позволяют сделать вывод о влиянии ионосферного альвеновского резонатора (ИАР) и резонатора на высотах 80-300 км на амплитудные спектры ультранизкочастотного (УНЧ) сигнала. Также показано, что возникновение сильных спорадических слоёв (с плазменной частотой в их максимумах, превышающей 5 МГц) на всей трассе распространения УНЧ полей от источника к приёмнику может сильно менять амплитудные спектры искусственных сигналов. В ночных условиях может наблюдаться значительное увеличение амплитуды магнитного поля на частотах гармоник ИАР. Влияние суб-ИАР резонатора сказывается в появлении возрастающей с частотой зависимости амплитуды магнитных компонент. Проанализированы также сдвиги фаз между горизонтальными компонентами низкочастотного сигнала и спектры поляризационного параметра. Показано, что в приближении однородного волновода ионосферные резонаторы практически не влияют на фазовые характеристики искусственных сигналов, в отличие от поляризации магнитных УНЧ полей от вертикального электрического диполя. Проанализированы также зависимости амплитуды магнитного поля сигнала от расстояния до источника r и от направления на источник. Показано, что характер спадания амплитуды магнитного поля с расстоянием может существенно отличаться от зависимости 1/r². Показано, что при k₀r<1, где k₀ - волновое число в свободном пространстве, диаграмма направленности излучения практически изотропна. При k₀r≥ 1 наблюдается вытягивание линий равной амплитуды вдоль оси токового источника.

На английском языке

Features of the spectra of ultra-low-frequency magnetic fields from horizontal current sources: models of plane and spherical Earth-ionosphere waveguides

Ermakova E.N., Ryabov A.V. and Kotik D.S.

We simulate the magnetic field components in the frequency range 0.1-30 Hz from a source like the horizontal magnetic dipole located in the Earth-ionosphere cavity. Models of homogeneous spherical and plane waveguides are considered, the advantages of each model are determined, and a comparative analysis of the simulation results is performed. The results of numerical calculations lead to the conclusion about the impact of the IAR (ionospheric Alfvén resonator) and sub-IAR (resonator at altitudes of 80-300 km) on the amplitude spectra of the ultra-low-frequency (ULF) signal. It is also shown that the appearance of strong sporadic layers (with a plasma frequency exceeding 5 MHz at their maxima) along the entire propagation path of ULF fields from the source to the receiver can strongly change the amplitude spectra of artificial signals. A significant increase in the amplitude of the magnetic field at the IAR harmonic frequencies can be observed at night. The sub-IAR impact is responsible for the appearance of a dependence of the amplitude of the magnetic components, which increases with frequency. Phase shifts between the horizontal components of the ULF signal and the spectra of the polarization parameter are also analyzed. It is shown that ionospheric resonators have almost no effect on the phase characteristics of artificial signals in a homogeneous waveguide approximation, in contrast to the polarization of magnetic ULF fields from a vertical electric dipole. The dependences of the amplitude of the magnetic field of a signal on the distance r to the source and on the direction to the source are also analyzed. It is shown that the dependence of the decay of the magnetic field amplitude with distance can differ significantly from the 1/r² law. The radiation pattern is almost isotropic for k₀r<1, where k₀ is the wave number in free space. The lines of equal amplitude are stretched along the direction of the current source for k₀r≥ 1.

DOI: https://doi.org/10.52452/00213462_2021_64_03_163

Пример ссылки для цитирования:

Ермакова Е.Н., Рябов А.В., Котик Д.С. Особенности спектров ультранизкочастотных магнитных полей от горизонтальных токовых источников: модели плоского и сферического волноводов Земля-ионосфера // Изв. вузов. Радиофизика. 2021. Т. 64, № 3. C. 163–178.