Спектры и волновые формы СНЧ-импульсов в резонаторе Земля–ионосфера при малых потерях

Abstract

В литературе по шумановскому резонансу имеется пробел. Само явление было предсказано для полости Земля–ионосфера с идеально проводящими стенками. Однако при моделировании экспериментально наблюдаемых радиосигналов Земля всегда рассматривается как идеально проводящий шар, тогда как ионосфера имеет конечную проводимость. Предлагаемое исследование заполняет этот пробел, так как впервые получены модельные спектры и формы импульсов в резонаторе с исчезающе малыми потерями. Задача решается с помощью одномасштабной экспоненциальной модели вертикального профиля проводимости атмосферы. Спектры и волновые формы сигналов рассчитаны для различных расстояний источник–наблюдатель. Показаны отличия спектров идеального резонатора от спектров реального резонатора Земля–ионосфера. Проведен расчет импульсов во временном представлении и найдены отличия в скорости распространения, обусловленные конечной проводимостью ионосферы. Получены амплитуды импульсов в антиподе источника и в точке источника (кругосветная волна). Расчеты показывают, что дисперсия в сферическом волноводе приводит к расширению распространяющихся импульсов и уменьшению их амплитуды. Амплитуда кругосветной волны падает настолько, что «самозапуск» молний невозможен даже в резонаторе, близком к идеальному.

У літературі з шуманівського резонансу є пробіл. Саме явище було передбачено для порожнини Земля–іоносфера з ідеально провідними стінками. Однак при моделюванні експериментальних радіосигналів Земля завжди розглядається як куля, що ідеально проводить, тоді як іоносфера має кінцеву провідність. Пропоноване дослідження заповнює цей пробіл, адже вперше отримано модельні спектри та форми імпульсів з майже відсутнім затуханням. Задачу розв’язано за допомогою одномасштабної експоненціальної моделі вертикального профілю провідності атмосфери. Спектри та хвильові форми сигналів розраховано для різних відстаней джерело–спостерігач. Показано відмінності спектрів ідеального резонатора від спектрів реального резонатора Земля–іоносфера. Проведено розрахунок імпульсів у часовому зображенні та знайдено відмінності в швидкості поширення, які зумовлені кінцевою провідністю іоносфери. Отримано амплітуди імпульсів у антиподі джерела і в точці джерела (навколосвітня хвиля). Результати показують, що дисперсія в сферичному хвилеводі призводить до розширення імпульсів, що поширюються, і зменшення їх амплітуди. Амплітуда навколосвітньої хвилі падає настільки, що «самозапуск» блискавок неможливий навіть в резонаторі,що близький до ідеального.

There is a certain gap in the literature on Schumann resonance. The theoretical prediction of the phenomenon was made in the framework of the Earth–ionosphere cavity formed by perfectly conducting walls. However, when modeling the experimentally observed resonance, the ground is always considered as a perfectly conducting, while the ionosphere has a finite conductivity. The present investigation fills in the gap mentioned. We demonstrate for the first time the spectra and the waveforms of pulses propagating in a cavity with the negligible losses. The problem is solved in the framework of the exponential vertical profile of air conductivity characterized by the single scale height. The spectra and waveforms are computed for a set of the source–observer distances. Deviations are addressed of the spectra in the idealistic resonator from those of the conventional ionosphere model. Direct time domain solutions are used in computations that show deviations of the propagation velocity relevant to finite conductivity of the ionosphere. The pulse amplitudes are shown at the source antipode and at the source point itself for the round-the-world wave. We demonstrate widening of the pulses in the course of propagation combined with the reduction of their amplitude. Amplitude of the round-the-world wave reduces to the value that excludes the “auto-triggering” of lightning strokes even in the idealistic cavity model with negligible losses.