DAILY PERIODS IN VLF RADIATION AND THEIR CONNECTION WITH X-RAY

Дружин Г.И.

Кандидат физико-математических наук, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт космофизических исследований и распространения радиоволн  Дальневосточного отделения РАН

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ №13-02-01159

СУТОЧНЫЕ ПЕРИОДЫ В ОНЧ ИЗЛУЧЕНИИ И СВЯЗЬ ИХ С РЕНТГЕНОВСКИМ ИЗЛУЧЕНИЕМ

Аннотация

На Камчатке проведена регистрация шумовых электромагнитных излучений на частотах 0.7, 1.2 и 5.3 кГц за 1997 — 2006 гг., которая показала, что в спектрах ОНЧ шумов имеются максимумы, совпадающие с суточными периодами вращения Земли относительно Солнца (1440 мин) и относительно звезд (1436 мин). Выполнены пеленгационные наблюдения за 2002-2006 гг. в полосе частот 3 — 60 кГц, которые также показали, что эти максимумы  имеются в спектрах сигналов от гроз. Показано, что в принимаемых сигналах ОНЧ излучений проявляется влияние на область D ионосферы галактических рентгеновских источников.

Ключевые слова:  ОНЧ излучение, рентгеновские источники , периоды Земли.

Druzhin G.I.

Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Institute of Cosmophysical Researches and Radio Wave Propagation FEB RAS

DAILY PERIODS IN VLF RADIATION AND THEIR CONNECTION WITH X-RAY

Abstract

Registration of noise electromagnetic radiation at frequencies at 0.7, 1.2, and 5.3 kHz for 1997 - 2006 has been carried out in Kamchatka. It showed that in the spectra of the VLF noise peaks are coincident with daily periods of Earth's rotation relative to the Sun (1440 m) and relative to the stars (1436 m). Direction-finding observations for 2002-2006 in the frequency band 3 — 60 kHz were performed, which showed that these peaks are present in the spectra of the signals from thunderstorms. It is shown that the impact of the received signals of VLF emissions apparent effect on the region of the ionosphere D galactic X-ray sources.

Keywords: VLF radiation, X-rays, the Earth’s period.

Введение

Излучения, приходящие к  Земле от Солнца, имеют периодичность 24 ч. Этот период обнаруживается в различных измеряемых на Земле параметрах, в том числе  и в вариациях естественных электромагнитных полей [1]. Известно, что рентгеновское излучение Солнца [2, 3, 4] является основным фактором, приводящим к ионизации области D ионосферы, и влияет на  условия распространение радиоволн в диапазоне очень низких частот (ОНЧ). В спектрах  принимаемых на Земле ОНЧ излучений можно выделить суточное вращение Солнца (~ 27 дней), вращение Луны (29,5 дней), а также  недельный цикл, связанный с деятельностью человека [5]. Однако  мало сведений о характеристиках ОНЧ излучений, выполненных на больших временных интервалах (больше года), где бы рассматривались суточные периоды.

Целью работы является изучение на больших временных интервалах шумовых и импульсных характеристик ОНЧ сигналов в диапазоне периодов, близких к суточному вращению Земли, и определение их возможной связи c рентгеновскими источниками излучения.

Для достижения поставленной цели мы выполнили спектральный анализ огибающей естественных ОНЧ излучений по данным регистрации на Камчатке шумовых и импульсных сигналов в диапазоне периодов, близких к суточному вращению Земли.

Спектральные характеристики

Запись шумовых сигналов проводилась с помощью многоканального ОНЧ регистратора, находящегося на Камчатке, в экспедиционном пункте «Карымшина» (j=52⁰49^/ N, l=158⁰07^/ E), на фиксированных частотах в узких частотных полосах (5% - 10% от центральной частоты). ОНЧ регистратор имел стовитковую вертикально расположенную рамочную антенну размером 7,5х15 м, ориентированную в направлении восток — запад, предварительный усилитель, кабельную линию, связывающую антенну и предварительный усилитель с устройством фильтрации сигнала, выходное устройство.

Спектральный анализ был выполнен за временной промежуток Т=10 лет и построены периодограммы, близкие к суточному периоду на трех регистрируемых частотах (рис. 1).

Рис.1 - Периодограммы шумовой составляющей ОНЧ излучений за 1997 - 2006 гг.

Из рисунка видно, что имеются максимумы 1436 мин (23ч 56 мин) и 1440 мин (24 ч), которые  совпадают с суточным вращением Земли относительно звезд — 1436 мин и относительно Солнца. При этом разрешающая способность по периоду составляет 0.4 мин.

Грозовые разряды принимались ОНЧ пеленгатором, работающим в диапазоне частот от 3 кГц до 60 кГц и имеющим антенную систему, состоящую из штыревой антенны и двух перпендикулярно расположенных по сторонам света стовитковых вертикальных рамочных антенн. ОНЧ пеленгатор расположен на Камчатке, в с. Паратунка (j=52⁰58^/ N, l=158⁰15^/ E).

Подсчитывалось почасовое количество импульсных сигналов (атмосфериков) при превышении порогового уровня 1 В/м за 2002 — 2006 гг., с азимутальных направлений: 0⁰ — 90⁰; 90⁰ — 180⁰; 180⁰ — 270⁰; 270⁰ — 360⁰ и был выполнен  спектральный анализ (рис.2).

Из рис. 2, как и из рис.1, видно, что имеются максимумы амплитуд на периодах 1436 и 1440 мин, наибольшие значения которых наблюдались с юго-западного направления  180⁰ — 270⁰, наименьшие — с северо-восточного 0⁰ — 90⁰  и северо-западного 270⁰ — 360⁰ направлений. Разрешающая способность при этом составляла 0.8 мин.

Из рис. 1 и рис. 2 также видно, что уверенно выделяется составляющая с периодом 1436 мин, которая совпадает с периодом вращения Земли относительно звезд.

Рис.2 - Периодограммы за 2002-2006 гг., полученные с помощью ОНЧ пеленгатора.

Источники рентгеновского излучения

Рассмотрим, смогут ли рентгеновские источники галактического происхождения  повлиять на процесс ионизации ионосферы, чтобы его можно было зарегистрировать. Влияние рентгеновского излучения Солнца   на область D ионосферы и на условия прохождения ОНЧ излучений приведено в ряде работ, например в [3, 6], а влиянием галактических рентгеновских источников занимались мало.

По оценкам С.Л. Мандельштама [7], у границы земной атмосферы поток рентгеновского излучения от Солнца составляет 10^-4 эрг/(см²с), в диапазоне 1 — 10 ангстрем. В то же время от самого сильного  галактического источника, в созвездии Скорпиона, иSco X-1, поток — 5^.10^-7эрг/(см²с). Всего насчитывается порядка сотни дискретных рентгеновских источников. Слабое излучение наблюдается и из рентгеновского хребта Галактики,  из протяженной области с шириной полосы 1 — 2 град. вдоль галактической плоскости [2].

Кроме этого, у границы земной атмосферы на рентгеновский диапазон приходится всего ~10-10 от полного потока (1,5•106 эрг/(см2с)) электромагнитного излучения Солнца, а от галактики — 10^-3 — 10^-4 светимости относительно оптического диапазона [7].

 Из оценок следует, что рентгеновское излучение галактики, несмотря на то, что оно слабее солнечного, может влиять на уровень ионизации области D ионосферы и привести к появлению максимума в амплитуде на периоде 1436 мин (рис. 1 и рис. 2).

Источники электромагнитного излучения

Рассмотрим другую причину, которая может привести к появлению максимума на периоде 1436 мин. Из рис. 1 и рис.2 видно, что имеется дополнительный максимум на периоде 1444 мин, отстоящий от основного также на 4 мин.

Рассмотрим этот случай более детально. Известно, что при нелинейном взаимодействии двух частот могут возникнуть комбинационные частоты. Так, если одна частота суточная и равна 1/1440 1/мин (f1= 1157.4*10^-8 Гц), а другая — годовая  1/(1440*365) 1/мин (f2= 3.17*10^-8 Гц), могут возникнуть частоты f3=(f1 — f2)=1154.23*10^-8 Гц и f4=(f1 + f2)=1160.57*10^-8 Гц, что соответствует периодам 1436 и 1444 мин. Амплитуды на этих периодах должны быть одинаковы. В нашем же случае при приеме шумового ОНЧ- сигнала эти амплитуды разные и амплитуда на периоде 1436 мин выше амплитуды на периоде 1444 мин (рис.1).

Известно, что основными источниками естественного электромагнитного излучения являются грозовые разряды. На Северо-Востоке России ОНЧ регистратор принимает шумовые ОНЧ излучения в основном от мировых очагов гроз [8], хотя некоторый вклад дают и местные грозы. Поэтому на амплитуду шумового поля значительно влияют условия распространения сигналов, которые зависят от уровня ионизации области D ионосферы. ОНЧ пеленгатор принимает излучения от гроз с более близких расстояний [9] (местные грозы). Здесь на амплитуду поля большее влияние оказывает не условия распространения, а интенсивность грозовых источников. И если на рис. 1 амплитуды на периодах 1436 и 1444 разные, то в отличие от этого, на  рис. 2 с азимутальных направлений 90⁰ — 180⁰; 180⁰ — 270⁰; 270⁰ — 360⁰ амплитуды сравнимы. Это может свидетельствовать о том, что в этом случае значительный вклад в амплитуду этих составляющих вносит годовой период. С азимутального же направления 0⁰ — 90⁰ амплитуда  небольшая, поскольку гроз в северо-восточном направлении мало. С этого направления, возможно, излучения приходят с более далеких расстояний и влияние условий распространения на амплитуду сказываются больше. Здесь  амплитуды на периодах 1436 и 1444 разные и амплитуда на периоде 1436 мин больше.

Все это свидетельствует о том, что галактическое рентгеновское излучение воздействует на параметры области  D ионосферы, и это воздействие проявляется в параметрах принимаемых ОНЧ сигналов.

Заключение

Таким образом, регистрация шумовых электромагнитных излучений на частотах 0.7, 1.2 и 5.3 кГц за 1997 — 2006 гг. показала, что в спектрах ОНЧ шумов имеются максимумы, которые совпадают с суточными периодами вращения Земли относительно Солнца (1440 мин) и относительно звезд (1436 мин). Пеленгационные наблюдения, выполненные за 2002-2006 гг. в полосе частот 3 — 60 кГц, также показали, что эти максимумы  имеются и в спектрах импульсных сигналов от гроз. Показано, что в принимаемых сигналах ОНЧ излучений проявляется влияние на область  D ионосферы галактических рентгеновских источников.

Литература

1. Дружин Г.И., Мельников А.Н., Чернева Н.В. Проявление суточных периодов Земли в ОНЧ-излучениях // Доклады Академии Наук, 2014, Т. 457, № 1, С. 92-94.
2. http://ru.wikipedia.org/wiki
3. Мурзаева Н.Н.// Связь ОНЧ излучения верхней атмосферы с другими геофизическими явлениями. Якутск: изд. ЯФ СО АН СССР. 1977. С. 21-24.
4. Муллаяров В.А., Каримов Р.Р., Козлов В.И., Мурзаева Н.Н. Связь грозовой деятельности с солнечной активностью по наблюдениям фонового ОНЧ-излучения // Метеорология и гидрология. 1998. № 8. С.48-56
5. Козлов В.И., Муллаяров В.А. Грозовая активность в Якутии. Якутск: изд. ЯФ СО РАН. 2004. 104 с.
6. Митра А. Воздействие солнечных вспышек на ионосферу Земли. М.: Мир. 370 с. 1977.
7. http://w-rabbit.narod.ru/raznoe/rentgen.htm
8. Дружин Г.И., Шапаев В.И. Роль мировой грозовой активности в формировании амплитуды регулярного шумового фона // Геомагнетизм и аэрономия.1988. Т. 28. № 1. С.81-86.
9. Дружин Г.И., Чернева Н.В., Мельников А.Н. Грозовая активность по наблюдениям ОНЧ-излучения на Камчатке // Геомагнетизм и аэрономия. 2010. Т. 49. № 8. С. 1305-1307.

References

1. Druzhin G.I., Mel`nikov A. N., Cherneva N.V. Manifestation of daily periods of Earth VLF radiation // Dokldy Earth Sciencs, 2014, T. 457, N 1, P. 92-94.
2. http://ru.wikipedia.org/wiki
3. Murzaeva N.N. // Connection VLF radiation of the upper atmosphere with other geophysical phenomena. Yakutsk: YB SB AS USSR. 1977. P. 21-24.
4. Mullayarov В.А., Karimov Р.Р., Kozlov В.И., Murzaeva N.N.The relationship of lightning activity with solar activity from observations of the background VLF radiation // Meteorology and Hydrology. N 8. P. 48-56.
5. Kozlov В.И., Mullayarov В.А. Thunderstorm activity in Yakutia.Yakutsk: YB SB RAS. 2004. 104 p.
6. Mitra A. Effects of solar flares on Earth's ionosphere. M.: World. 370 p. 1977.
7. http://w-rabbit.narod.ru/raznoe/rentgen.htm
8. Druzhin, I., and V. I. Shapayev, The role of global thunderstorm activity in the formation of the amplitude of the regular noise background // Geomagnetism and Aeronomy. 1988. Т. 28. P. 81-86.
9. Druzhin G.I., Cherneva N.V., Melnikov A.N. Thunderstorm activity according to VLF observations at Kamchatka // Geomagnetism and Aeronomy. 2010. Т. 49. № 8. P.  1305-1307.