Обнаружение на низкоорбитальном спутнике CSES электромагнитного отклика верхней ионосферы на СНЧ сигнал, сгенерированный наземным протяженным источником ЗЕВС и линиями электропередач

В докладе представлены результаты эксперимента по измерению параметров электромагнитного поля, индуцированного переменным током, протекающим в проводнике конечной длины (от 60 до 500 км) в верхней ионосфере и нижней магнитосфере Земли, на высоте пролета низкоорбитального спутника (примерно 500 км). В качестве источника излучения использован мощный передатчик, российская установка ЗЕВС, а также промышленные линии электропередач (ЛЭП). Электромагнитное излучение было зарегистрировано с помощью оборудования, установленного на китайском геофизическом научном спутнике China Electro-Seismic Satellite (CSES).
Установка ЗЕВС расположена на Кольском полуострове, к юго-востоку от Мурманска. Она состоит из двух горизонтальных проводников длиной около 60 км, проложенных на расстоянии примерно 10 км друг от друга, и генераторов, которые создают в проводниках переменный ток частотой 82 Гц и силой в 200-300 А. Длина излучаемых ЗЕВС волн составляет 3 658,5 км, что по масштабам сопоставимо с размерами тектонических плит. Таким образом, ЗЕВС может имитировать естественное излучение, генерируемое до и во время катастрофических сейсмических процессов.
ЛЭП «Северный Транзит» 330 кВ проходит от Мурманска по всему Кольскому полуострову и далее до Петрозаводска и является одной из самых длинных (порядка 750 км) и мощных промышленных ЛЭП в северо-западном регионе. Рабочая частота ЛЭП составляет 50 Гц, с точностью до десятых долей герца. В идеально сбалансированной ЛЭП напряжения и токи каждой фазы имеют одинаковую амплитуду, а фазовый сдвиг равен 120 градусов. В реальности эти условия редко соблюдаются. ЛЭП с несбалансированным током в 1-2 А способна генерировать излучение частотой 50 Гц, регистрируемое на низкоорбитальном спутнике.
Результаты эксперимента доказывают возможность прохождения крайне низкочастотного (КНЧ) излучения, лежащего в диапазоне от десятков до сотен Гц, через ионосферу. Полученные данные об амплитуде и затухании электромагнитного поля на высоте пролета спутника находятся в хорошем согласии с результатами расчетов, выполненных с помощью теоретической модели, созданной сотрудниками лаборатории околоземного космического пространства ИФЗ РАН, которая позволяет рассчитать пространственную структуру электромагнитного поля протяженного источника КНЧ волн в верхней ионосфере, с учетом ее вертикально-неоднородной структуры. Результаты численного моделирования показывают, что для генерации сигнала, который можно зарегистрировать на спутнике с высотой орбиты 400-500 км, достаточно создать в проводнике силу тока в 135 А.
Низкоорбитальный спутник CSES, высота орбиты которого составляет 528 км, при пролетах над Кольским полуостровом одновременно регистрировал излучение передатчика ЗЕВС на частоте 82 Гц и излучение линии электропередачи «Северный Транзит» на частоте 50 Гц. Сигнал ЗЕВС был обнаружен на расстоянии от 400 до 2500 км между подспутниковой точкой спутника и передатчиком. Электрические и магнитные датчики EFD и SCM спутника зафиксировали узкополосное излучение на частотах 82 Гц и 50 Гц. Результаты измерений в целом согласуются с результатами моделирования пространственной структуры волнового поля в верхней ионосфере, за исключением параметров ослабления амплитуды электромагнитного поля при удалении от источника. Обнаруженные различия между теорией и экспериментов частично объясняются недостатками теоретической модели, но также ставят задачу для дальнейших исследований.
Показана практическая возможность дистанционного обнаружения отклика верхней ионосферы на КНЧ излучение, испускаемое протяженным наземным источником. В естественной среде подобное КНЧ излучение предположительно возникает при смещении, напряжении литосферных плит и сопровождает катастрофические землетрясения. Результаты исследования могут быть применены при разработке методов обнаружения аномального КНЧ излучения, предваряющего катастрофические землетрясения, а также для оценки эффективности активных экспериментов по возбуждению искусственных возмущений в околоземной среде.