Черноус С.А., Филатов М. В., Шкарбалюк М. Е., Ларченко А. В., Пильгаев С.В., Федоренко Ю.В.

Полярный геофизический институт Кольского научного центра РАН

Исследования связи динамики пульсирующих полярных сияний и области выхода низкочастотных излучений из ионосферы с помощью трехкомпонентной ОНЧ установки.

Анализ материалов и исследований взаимосвязи временных рядов интенсивности свечения пульсирующих пятен полярных сияний показал, что совпадение максимумов амплитуд хоровых элементов и максимумов интенсивности сияний в пятнах ,важное для теории проточного циклотронного мазера - ПЦМ (1), наблюдается не всегда. Отчасти это может быть объяснено пространственно–временными особенностями явления, множественностью пульсирующих пятен и тем , что в этой операции часто сравнивается скалярная интенсивность свечения с компонентом вектора очень низкочастотных излучений-ОНЧ. Необходимо точно установить местоположение выхода ОНЧ магнитосферного происхождения в ионосферу, что позволит определить положение дактов, в которых происходит развитие проточного (ПЦМ). Это можно сделать с помощью трехкомпонентной установки для регистрации ОНЧ излучений.

Нами разработана, изготовлена, испытана и установлена на зимний период наблюдений в обсерватории «Ловозеро» аппаратура для диагностики области выхода ОНЧ излучений из ионосферы и локализации параметров пульсирующих полярных сияний в составе:

1) Приемник ОНЧ излучения позволяющий определять углы прихода сигнала по данным регистрации трех компонент излучения в одной точке (обс. Ловозеро).

2) Оптическая камера полного неба (3) использующая в качестве детектора ИМПАКТРОН (ПЗС камеру с электронным умножением PhotonMax), работающий в цифровом режиме со скоростью 10 кадров/сек.

Кроме этого, изготовлено устройство для абсолютной оптической калибровки оптической аппаратуры (2), которое было тарировано на основании вторичного эталона обсерватории Фритц-Пик и в настоящее время уже используется в работе по Программе Президиума РАН 22. Важным аспектом работы является подготовка средств наблюдений для наземной поддержки экспериментов различного назначения в околоземном космическом пространстве, например, в предстоящем проекте «Резонанс» (4).

1. Приемник ОНЧ излучения, позволяющий определять углы прихода сигнала по данным регистрации трех компонент излучения в одной точке (обс. Ловозеро).

1.1 Приемник ОНЧ излучения.

Определение положения и динамики области выхода ОНЧ эмиссий из нижней ионосферы к наземному наблюдателю может быть произведено двумя методами. Первый, и наиболее часто применяемый, основан на предположении о том, что пакет электромагнитных ОНЧ волн у земной поверхности достаточно хорошо описывается приближением плоской волны, а земная поверхность предполагается бесконечно проводящей плоскостью. В этом случае задача локализации области выхода ОНЧ волн из ионосферы сводится к определению направляющих косинусов волновой нормали и ее проекции на нижнюю ионосферу. Для реализации этого метода необходимо измерить три компоненты поля – вертикальную электрическую и две горизонтальных магнитных.

Второй метод использует данные наблюдений на трех пространственно разнесенных станциях. Локализация области выхода производится по относительным задержкам прихода волновых пакетов на эти станции. Этот метод менее чувствителен к модели распространения, поскольку позволяет включить в модель распределенные источники с той или иной степенью пространственной когерентности, однако он не нашел широкого распространения из-за трудности точной синхронизации данных на удаленных друг от друга точках наблюдения.

При разработке приемника ОНЧ излучений была учтена возможность его использования для реализации как метода определения положения области выхода по данным одной станции, так и для проведения в дальнейшем триангуляционных измерений. Для этого в нем предусмотрена точная (с ошибкой не более десятков наносекунд) синхронизация с мировым временем. Для достижения приемлемого уровня помех от линий электропередач при измерении вертикальной электрической компоненты в аналогово-цифровом преобразователе осуществлено гальваническое разделение искусственной земли электрической антенны и земли обсерватории.

1.2. Антенны и предусилители

Для регистрации магнитных компонент поля ОНЧ эмиссий и применены прямоугольные рамочные антенны размером 6х15 метров. Фотография антенной системы приведена на рис. 1. Рамки содержат 14 витков медного провода общим сопротивлением 39 Ом и индуктивностью 8.4 мГн. Для обеспечения симметричного подключения ко входу дифференциального предусилителя средняя точка присоединена к искусственной земле антенной системы. В первом каскаде схемы использован симметричный усилитель тока с коэффициентом преобразования входного тока 1300 Ом, выполненный на операционных усилителях (ОУ) OP113.

Измерение вертикальной электрической составляющей производится вертикальным диполем (рис. 1). Собственно антенна представляет собой шар радиусом 15 см и собственной емкостью 16.7 пФ, расположенный на высоте 12 м. Для имитации бесконечно проводящей плоскости по поверхности земли от мачты антенны радиально проложены 8 проводов длиной около 50 м. В первом каскаде схемы усилителя применен малошумящий ОУ с высоким входным сопротивлением, включенный по схеме усилителя напряжения. Напряжение на выходе первых каскадов усилителей электрической и магнитных антенн далее усиливается до значений, необходимых для нормальной работы аналого-цифровых преобразователей. Полоса частот сигнала ограничивается до 7 кГц для исключения проникания зеркальных частот в рабочую полосу.

Рис. 1 Антенная система приемника ОНЧ излучения, установленная в обс. Ловозеро.

1.3 Аналого-цифровое преобразование

В системе сбора ОНЧ данных применяются 24 битные аналого-цифровые преобразователи последовательного приближения с передискретизацией AD7767. Особенностями этой микросхемы являются: возможность изменения частоты дискретизации до 128 КГц и наличие встроенного цифрового anti-alias фильтра. Возможность синхронизации циклов аналого-цифрового преобразования нескольких микросхем исключает фазовые сдвиги между измеряемыми сигналами.

Для уменьшения шума от цифровых цепей и отделения земли обсерватории от искусственной земли электрической антенны применяется гальваническое разделение аналоговой и цифровой земли. Для изоляции сигнальных линий применяются микросхемы ADuM3401CRWZ, а для развязки питания – преобразователь напряжения AM2D-0507DH.

Аналогово-цифровой преобразователь (5) состоит из двух модулей – один устанавливается в непосредственной близости к антенным усилителям и отвечает за аналого-цифровое преобразование, другой обычно располагается в помещении обсерватории и осуществляет синхронизацию потока данных с мировым временем и выдачу данных на компьютер. Блок-схема удаленного модуля показана на рис. 2. Контроллер принимает данные с микросхем АЦП AD7767 при помощи интерфейса SPI в кольцевой буфер, организованный в оперативной памяти контроллера. Частота дискретизации микросхем АЦП управляется изменением частоты, подаваемой на входы MCLK микросхем AD7767. После преобразования данные передаются на синхронизатор при помощи интерфейса RS 485.

Рис. 2. Удаленный модуль аналого-цифрового преобразователя трехкомпонентного регистратора ОНЧ эмиссий.

На рис. 3 приведена функциональная схема синхронизатора (5). Получаемые от удаленного модуля данные формируются в пакеты с указанием времени начала формирования данного пакета. Каждый пакет содержит текущее время в секундах, а также время между первым байтом пакета и передним фронтом секундного импульса, получаемого от GPS приемника времени. На регистратор данные передаются через Ethernet интерфейс, по протоколу UDP (User Datagram Protocol). Для этого к пакету добавляются заголовок UDP и контрольная сумма UDP, после чего он передается в Ethernet контроллер CP2200.

Рис. 3. Синхронизатор потока данных с мировым временем аналого-цифрового преобразователя трехкомпонентного регистратора ОНЧ эмиссий.

В настоящее время установлена частота дискретизации компонент 16.384 кГц, что обеспечивает полосу регистрируемых частот ОНЧ излучений до 7 кГц.

4. Результаты определения азимута прихода ОНЧ эмиссий

7 ноября 2012 года в обс. Ловозеро был зарегистрирован всплеск ОНЧ излучений вблизи 03.00 UT. Спектрограмма вертикальной электрической компоненты приведена на рис. 4а, а огибающие компонент , и в полосе частот 200 Гц с центром на частоте 2200 Гц показаны на рис. 4б.

Рис. 4. Спектрограмма всплеска ОНЧ эмиссий в обс. Ловозеро 07 ноября 2012 года (слева) и огибающие компонент (красная линия), (синяя) и (черная).

Для определения азимута источника мы вычислили компоненты вектора Пойнтинга и в системе координат, в которой ось X направлена на Север, ось Y – на Восток, а ось Z – вниз. На рис. 5а показана действительная часть компонент вектора Пойнтинга, а на рис. 5б – азимут этого вектора, отсчитываемый от направления оси X по часовой стрелке.

Рис. 5. Компоненты вектора Пойнтинга (слева) (красная линия) и и его азимутальный угол.

Из рисунка следует, что до всплеска ОНЧ эмиссий энергия текла с Юга на Север. Этот факт может быть объяснен действием грозовых источников, расположенных на экваторе. Во время всплеска вектор Пойнтинга направлен с Севера на Юг, что свидетельствует о расположении источника на Север от Ловозера.

К сожалению, погодные условия не позволили нам зарегистрировать полярные сияния синхронно с ОНЧ излучениями, хотя оптическая аппаратура, установленная в обс. Ловозеро, в течение месяца работала в патрульном режиме. Однако данные наблюдений геофизических событий в сопредельных районах Швеции и Финляндии подтверждают наличие авроральных возмущений к северу от обс. Ловозеро в исследованном промежутке времени (Рис..6).

Рис.6 Магнитограмма Кируны ( Швеция) и записи поглощения космического радиошума на цепочке финских станций

Поглощение, записанное риометрами, свидетельствует о вторжении жестких электронов, которое обычно вызывается частицами с энергией свыше 20 кэв, участвующими в работе проточного циклотронного мазера.

Таким образом, приведенные результаты обработки данных регистрации ОНЧ излучений демонстрируют работоспособность созданного трехкомпонентного ОНЧ регистратора и свидетельствуют об информативности получаемых с его помощью данных. Они позволят в дальнейшем развить и продолжить трехкомпонентные измерения вариаций ОНЧ излучения совместно с наземными и спутниковыми измерениями полярных сияний на различных пространственных и временных масштабах, в частности, в предстоящих наблюдениях в проекте «Резонанс» (4).

Настоящая работа поддержана Программой Президиума РАН №22.

Литература

1. S. Chernouss, V. Alpatov, A. Demekhov, C. Deehr, U. Brandstrom, O. Widell, N. Ivchenko, A. Koustov, R. Pirjola, T. Sergienko, I. Sandahl, G. Marklund, 2012. Project: Development of the Methodology of Experiment and Technical Support for Studies of the Flow Cyclotron Maser in the Earth's Magnetosphere by Creating an Artificial Ionization Cloud From a Geophysical Rocket, Opt. Pura Apl., 45(1), 45-49.

2. Results from the intercalibration of optical low-light calibration sources, 2012
Author(s): B. U. E. Brändström, S.A.Chernouss et al. Geoscientific Instrumentation, Methods and Data Systems MS No.: gi-2011-9 .MS Type: Research articles

3. Ivan Syniavskyi,Yuriy Ivanov , Sergey Chernouss and Fred Sigernes Design and field testing of of the Fish-Eye lens for optical atmospheric observations. Astrophysics from Antarctica. Proceedings IAU Symposium No. 288, 2012. M.G. Burton, X. Cui & N.F.H. Tothill, eds.c 2012 International Astronomical Union.DOI: 00.0000/X000000000000000X

4. Проект «Резонанс» http://www.iki.rssi.ru/resonance/ .

5. Filatov, S. V. Pil’gaev, and Yu. V. Fedorenko 2011. A Four Channel 24-Bit Analog to Digital Converter Synchronized with the Universal Time Clock. Instruments and Experimental Techniques. 2011, Vol. 54, No. 3, pp. 361–363