Мониторинг низкочастотных ЭМП

Пространственно-временные характеристики городского магнитного шума в частотном диапазоне (0,01-30) Гц

Актуальность проблемы. Общепринято, что наибольший вклад в магнитный шум на низких частотах вносят основные потребители электрического тока промышленной частоты. Это так, но при этом практически не рассматривается вопрос о генерации магнитного шума в области частот 0,01 - 30 Гц, например, движущимися ферромагнитными и электромагнитными источниками, имеющие свой собственный магнитный момент, который, при перемещении в пространстве или при вращении, создает изменение геомагнитного поля. Кроме того, имеются источники, связанные с проявлением эффектов и явлений электромагнитной индукции и самоиндукции в металлических проводниках, а также эффекты, возникающие при движении проводников во внешнем МП. Поскольку систематические исследования ЭМП, создаваемого такими техногенными источниками, практически не проводятся, представляется актуальным оценка эффективных значений магнитной индукции для типичных источников в диапазоне частот 0,01 - 30 Гц и определение спектральных характеристик генерируемого ими магнитного шума. Особенно это актуально в связи с непрерывно возрастающей интенсивностью техногенных ЭМП по причине увеличения энергоемкости промышленного и бытового секторов мегаполиса, существенного увеличения транспортных потоков городского и пригородного сообщения. В таких сложившихся условиях усложняются работы с применением геофизических методов поисков и разведки, которые играют значительную роль в решении широкого круга геологических, инженерно- и гидрогеологических задач. Например, имеется сложность применения электромагнитных методов в геофизике, проводимые в сильно зашумленных техногенным ЭМП районах. Изучение структуры магнитного шума, создаваемых различными техногенными установками, исследование слабых МП космического пространства, магнитная дефектоскопия и т.д. - становится более трудным без развития и совершенствования средств измерений, способствующих работе в условиях повышенного магнитного шума. Помимо перечисленных факторов в настоящее время становятся все более сложными задачи геологоразведочных работ, поскольку запасы неглубоко залегающих месторождений практически исчерпаны, а для поиска и разведки залегающих объектов необходима более чувствительная аппаратура, в том числе измеряющая ЭМП, работа которой в условиях низкочастотных магнитных шумов сильно затруднена. Особенно это относится к горно-обогатительным комбинатам, на территории которых, в первую очередь, осуществляется разведка глубоких горизонтов. Поэтому необходимо знать и контролировать техногенную электромагнитную обстановку в местах проведения геологоразведочных работ.

Под техногенным электромагнитным шумом здесь понимаются нерегулярные низкочастотные электромагнитные колебания. Основные источники шумового ЭМП в диапазоне частот 0,01 - 30 Гц, как исследовал в своей работе Тягунов Д.С. [6.44] на территории мегаполиса можно разделить на две группы: первичные и вторичные. К первичным источникам можно отнести источники, которые сами создают ЭМП (линии электропередач постоянного и переменного тока любой частоты; электротранспорт; движущиеся ферромагнитные и электромагнитные источники), имеющие свой собственный магнитный момент, который при перемещении в пространстве или при вращении создает изменение МП, влияющее на МП в данной точке на поверхности Земли. К вторичным источникам можно отнести источники, связанные с проявлением эффектов и явлений электромагнитной индукции и самоиндукции в металлических проводниках, а также источники вторичного МП, возникающие при движении металлических немагнитных проводников во внешнем МП. Наибольший вклад в электромагнитный шум, в том числе на исследуемых частотах вызывают токовые переключения потребителей электрического тока промышленной частоты. Но кроме этого, к основному вкладу следует отнести и движение магнитных масс, в частности автомобильный транспорт.

Низкочастотные источники создают МП достаточно серьёзной интенсивности, соизмеримой с величинами геомагнитных вариаций в исследуемом диапазоне частот. В ряде случаев это приводит к существенному искажению фонового геомагнитного поля.

Из-за непрерывно увеличивающейся электроэнергетической насыщенности городов техногенный электромагнитный шум многократно возрастает в пределах города и становится значимым фактором риска с точки зрения экологической безопасности. Меняется в зависимости от времени суток и динамика магнитных шумов. В течение суток городской техногенный магнитный шум имеет периодический характер с ярко выраженным минимумом. Кроме того, городской техногенный магнитный шум неравномерно распределен по площади города. От центральных районов города к его окраинам наблюдается значительный спад магнитного шума, который при условии отсутствия мощных локальных источников плавно уменьшается и выходит на уровень геомагнитных вариаций за пределами городской черты. Установлено, что население крупных промышленных городов постоянно находится под влиянием низкочастотного техногенного магнитного шума, вариации которого сопоставимы по амплитуде с геомагнитными бурями средней величины.

Максимальный уровень техногенного магнитного шума в центральной части мегаполиса изменяется циклически в течение суток и может превышать уровень геомагнитных вариаций в исследуемом диапазоне частот в тысячи раз.

Немаловажным фактором является и то, что в течение суток меняются соотношения амплитуд короткопериодных вариаций вертикальной и горизонтальной составляющих вектора магнитной индукции и суточной цикличности амплитуды низкочастотных шумов.

На основе анализа современного состояния работ по изучению вариаций техногенного МП в пределах мегаполиса, можно сделать вывод о необходимости детального изучения источников техногенного электромагнитного шума и определение интенсивности создаваемых ими вариаций.

Следует отметить, что в сумме полей наблюдаемого геомагнитного поля до сих пор не всегда учитывается МП техногенного происхождения, которое с каждым годом увеличивается и, в районах сплошной индустриализации и крупных мегаполисах уже заметно превышает поле геомагнитных вариаций. Условно, эту сумму полей можно представить в виде относительно постоянной части Н₀ + Н_т + Н_а+Н_е плюс магнитного поля вариаций SH + Н_тех ( SH - поле геомагнитных вариаций; Н_тех - поле техногенного происхождения).

Помехи, создаваемые движущимися ферромагнитными массами в работе [], рассмотрены на примере регистрации сигналов МП от проезжающего электротранспорта и автотранспорта. В результате было установлено, что в начальные моменты движения троллейбусов максимальная амплитуда вариаций вертикальной составляющей индукции МП составляет 80 нТл, при средней величине около 40 нТл. При этом пиковые предельные значения вариаций однозначно связаны с движением магнитных масс, каковыми являются грузовые автомобили. Проезд единичного грузового автомобиля вызывает изменение МП амплитудой 250 нТл.

Постоянное движение городского автотранспорта создает два вида аномальных изменений геомагнитного поля: порядка 50-100 нТл, вызванное движением относительно малых магнитных масс; максимальное возмущение до 300-500 нТл, вызываемое большегрузным автотранспортом и городским электротранспортом. Значительны вариации МП вблизи жилых домов из-за высокой энергонасыщенности жилого сектора. Так, максимальная амплитуда вариаций на расстоянии пяти метров от девятиэтажного жилого здания составляет около 25 нТл. При удалении от девятиэтажного дома на расстояние 35 м значения вариаций снижаются до 4 нТл. Характер вариаций поля показывает, что вблизи жилых домов наблюдаются резкие скачки и перепады МП, что связано, вероятно, с эксплуатацией мощных электробытовых приборов и электрооборудования внутри этих зданий.

При исследовании низкочастотных МП в г. Екатеринбург [6.45] автором установлено, что максимальная амплитуда вариаций горизонтальных составляющих В_х и В_у (ось х направлена по магнитному меридиану) достигает в центре мегаполиса величины В_х = 1400 нТл и В_у = 3000 нТл. Максимальная амплитуда вариаций вертикальной составляющей В, = 1250 нТл. При удалении от центральной части города к окраинам уровень максимальных значений вариаций техногенного МП заметно снижается и достигает величины по горизонтальным компонентам В_х ? 17 нТл и В_у ? 20 нТл, вертикальной - B_z ? 150 нТл.

Спадание напряженностей низкочастотного МП от центра города к окраинам происходит в первом приближении по экспоненциальному закону.

Наблюдаются существенные всплески низкочастотного магнитного шума вблизи проезжей части: на трассе наблюдается интенсивное движение автомобильного транспорта, включая общегородской (автобусы, троллейбусы, маршрутные такси), который (транспорт) является фактически распределенным источником малых и больших магнитных масс. Амплитуда вариаций поля в пунктах измерения составляла 0,2-0,5 нТл.

Критерии различия геомагнитного и техногенного МП. Из проведённых экспериментальных исследований автор выделил критерии, по которым возможно отличить техногенный магнитный шум от геомагнитных вариаций. Во- первых, из соотношения амплитуд вертикальной и горизонтальных составляющих вектора магнитной индукции, а во-вторых, используя суточную цикличность амплитуды низкочастотных шумов вертикальной составляющей МП. Поскольку основным источником геомагнитных вариаций является магнитосфера Земли, то на любую часть поверхности Земли наибольшее влияние оказывают электромагнитные волны, направление распространения которых ортогонально этой поверхности. Этому же способствует некоторая круговая симметрия магнитосферы относительно вертикали к выбранному участку поверхности. В падающей сверху электромагнитной волне (ЭМВ) горизонтальные составляющие вектора магнитной индукции, как правило, должны превышать по амплитуде вертикальную составляющую вектора магнитной индукции или, в предельном случае, могут быть примерно равны ей. Техногенные же источники ЭМП низких частот такие, как электрический ток в линиях электропередачи, блуждающие токи электротранспорта и трубопроводов расположены по большей части по поверхности Земли. Создаваемая ими магнитная индукция всегда имеет вертикальную составляющую ( B_z ), поскольку одна из горизонтальных составляющих (вдоль направления электрического тока, (В_х ) практически отсутствует, а вторая горизонтальная составляющая (В_у),

ортогональная первой, на поверхности Земли сравнительно невелика. В результате, в суммарном техногенном МП множества источников амплитуда вертикальной составляющей, как правило, превышает амплитуду горизонтальных составляющих магнитной индукции. Подобный критерий применялся для автоматического выделения геомагнитных вариаций (короткопериодических колебаний естественного поля типа Рс- 2 - Рс-4, период которых составляет 5-150 с.) от техногенного МП при магнитотеллурических исследованиях [6.46], однако там анализировались не только отношения магнитных компонент поля, но и отношения магнитных и электрических компонент. Кроме этого, данный критерий применялся для достаточно большого периода электромагнитных колебаний, который характеризует только ближнюю (индукционную) зону излучения ЭМВ. То есть, характеризует колебания самой магнитосферы, а не ЭМВ, формируемых в магнитосфере. Система токов, излучающая ЭМВ, характеризуется типичными размерами областей распределения тока, 1, расстоянием г от условного центра излучающей токовой системы до точки поверхности Земли, на которой производится измерение магнитной индукции, и длиной волны электромагнитных колебаний, X. Из соотношения между этими величинами можно выделить ближнюю (индукционную) и дальнюю (волновую) зоны для каждой данной длины волны электромагнитных колебаний. Отношение г/Х определяет характер поля в зависимости от его удаления от области источника излучения. На расстояниях г Л, в волновой зоне, практически остаются лишь бегущие ЭМВ, поля которых убывают обратно пропорционально первой степени расстояния. Причем при г > Л и 1>А, можно пренебречь различием амплитуд сферических волн, приходящих от разных участков излучающей системы токов, а при г>Х и <Х. Следовательно, нижняя граница частот ЭМВ, падающих на земную поверхность, составляет около 4 Гц. С ночной стороны магнитосфера Земли вытягивается длинным расширяющимся цилиндрическим хвостом, радиус которого доходит до 40 радиусов Земли. Следовательно, верхняя граница длин волн, падающих на земную поверхность с неосвещенной Солнцем стороны может составлять (3 — 6) • 10⁵ км, что соответствует нижней границе частот электромагнитных колебаний порядка 1 Гц. Кроме того, у амплитуды техногенного магнитного шума существует суточная цикличность, особенно хорошо выраженная на вертикальной составляющей магнитной индукции. Это связано с суточной цикличностью энергопотребления большинства основных источников техногенного электромагнитного шума, минимум которого приходится на интервал от полуночи до четырех часов утра по местному времени [6.47]. Дополнительными критериями определения сигнала МП техногенного происхождения могут служить спектр-Фурье этого сигнала и измерения градиента МП, который имеет более высокое значение для близко расположенных источников.

В заключении следует отметить:

• 1. Основной вклад в низкочастотный электромагнитный шум в диапазоне частот 0,01 - 30 Гц вносят воздушные ЛЭП постоянного и переменного тока, тяговые сети электротранспорта; автотранспорт; движущиеся ферромагнитные и электромагнитные источники, имеющие свой собственный магнитный момент, который при перемещении в пространстве или при вращении создает изменение МП, влияющее на МП в данной точке на поверхности Земли; токовые переключения потребителей электрического тока промышленной частоты.
• 2. Движущийся городской транспорт является распределенным генератором непрерывных вариаций ЭМП низких частот, дающий существенный вклад в общий шум города, особенно в «часы пик».

• 3. Уровень техногенного магнитного шума в центральной части мегаполиса существенно превышает уровень шума на окраинах города.
• 4. Максимальный уровень городского техногенного магнитного шума превышает геомагнитные вариации в диапазоне частот 0,01 - 30 Гц более чем в 5000 раз, минимальный уровень - в 1000 раз.
• 5. Городской техногенный магнитный шум имеет периодический характер с ярко выраженным минимумом в течение суток.
• 6. Городской техногенный магнитный шум неравномерно распределен по площади города. Ближе к окраине города, при условии отсутствия мощных локальных источников магнитного шума, наблюдается его спад, продолжающийся на значительные расстояния от центра.
• 7. Существуют критерии, позволяющие отличить геомагнитные вариации от техногенного магнитного шума при сопоставимых амплитудах изменения МП.