地下任意elf线天线产生电磁场的空间分布

地下任意elf线天线产生电磁场的空间分布

地震能量特性中国是世界上最富有、最强烈的国家。中国的地震分布广泛，强度高，震源平坦，给灾面。我国陆地面积仅占全球陆地面积的1/14,但大陆地震却占全球的1/3。在上世纪,我国因地震而死亡的人数超过了60万,占全球地震造成人口死亡总数的一半。据统计在我国大陆地区级以上地震的年频次是19次,6级以上地震的年频次是4次,每3年发生7级以上地震2次。我国22个省会城市和2/3的百万以上人口的大城市均位于地震高危险区。未来的15年中,我国将进入一个新的地震活跃期,可能发生10余次7级以上地震,甚至有发生8级左右巨大地震的可能。这些潜在的危险将对我国经济社会发展产生不容忽视的影响。随着经济和人口的增长以及城市化进程的加快地震作为突发事件对公共安全的威胁将日趋严重,一旦发生地震,必将造成巨大的人员伤亡和经济损失。在诸多监测到的地震前兆现象中,震前电磁异常现象已经被大量的破坏性地震震例所证实。我国已经建成了一定规模的地面电磁监测台网,积累了大量与地震孕育和发生相关联的电磁前兆震例,电磁前兆已经成为地震日常监测预报特别是短临预报最有效的手段之一。地震电磁辐射前兆主要能量集中在SLF和ELF频段,为了深入研究地震电磁辐射前兆的规律,必须进一步分析和理解SLF和ELF频段电波的传播规律。对于ELF频段,电波波长已可与地球周长相比拟,此时,地面与电离层之间的传播空间已不能看作一个“波导”,而只能看作一个“壳体”,现有的SLF电波传播理论已不能用于ELF频段的电波传播描述。近几年很多学者做了大量的理论研究工作,试图了解ELF频段的电波传播特性,但所得电磁场表达式中含有难以解析计算的广义索末菲积分,为了解决这个难题,1999年DonaldE.提出了一种ELF地上垂直电偶极子在地-电离层壳体中的球谐级数算法,并就地面和电离层都是理想导体条件下,导出了电磁场的渐近表达式和解析表达式,从而算出了电磁场沿地面的变化规律,但作者没有进一步计算出地面与电离层都是非理想导电时的结果。有关ELF频段地面与电离层都是非理想导电时地上水平电偶极子和垂直电偶极子和地下水平电偶极子在地-电离层壳体中的计算结果本文作者已在前几篇文章中做了详细介绍。本文是在Barrick方法和已有工作的基础上对地下线电流进行研究。实际上地震孕育区的范围很大,产生的场极其复杂,其地下场源实际上是体电流或线电流,其产生的场可由点源产生的场进行叠加。有关地下ELF点源在地-电离层壳体中产生的场可参考文献。1地下elf任何线天线都是从地电离层壳体中产生的场1.1单元方向ls如图1所示,天线坐标为Ms(xs,ys,zs),观察点坐标为Mr(xr,yr,0),规定地面上正东方向为x方向,正北方向为y方向,天线上一小单元记为dls,它的方向为:ixdxs+lydys。观察点Mr(xr,yr,0)相对于天线单元中心的距离和方位(正东为x方向)应为dls天线单元的走向为:观察点相对于dls单元的方位为:1.2直角坐标系的转换因为dls的走向沿天线有变化,故iθ和iφ对于不同的天线单元方向不一致,在考虑整个天线上电流产生的场时,需转换至直角坐标系。球坐标转换到直角坐标需作如下变化:由此可以得到,其中,式中系数cn、dn、en和fn分别为其中,和Hn(2)(va)的算法当vg1时,jn(vg)和Hn(vg)可以近似为:Pn1(x)、Pn(x)、jn(va)、Hn(1)(va)、Hn(2)(va)及其导数的算法可参考文献。2地下单条天线天线地面上产生电场的场强空间分布例1:计算如图2所示地下线天线在地面上产生电磁场的场强空间分布,取线天线长度为100km,电流为200A,天线单元如图1所示。起始点坐标A(2,3),天线AB段长度为60km,天线BC段长度为40km,角度ψs1=60°,ψs2=30°,位于地下20km处,频率为f=10Hz。低电离层离地高度h=70km,地球半径a=6370km,地面导电率σg=0.001s/m,电离层导电率σi=0.00001s/m。在图3和图4中,我们分别计算了地下单条ELF线天线在地面上产生电磁场的6个分量的场强空间分布,在每个分布图中,虽然色标值是不同的,但都用来表示场强在空间的分布强弱。暗红色表示场强值最强,深蓝色表示场强值最弱。由于地层损耗,电磁场水平分量的场强值要比垂直分量的场强值大。例2:计算如图5所示地下两条线天线在地面上产生电磁场的场强空间分布取线天线长度100km,电流为200A,天线单元如图1所示。起始点坐标A(2,3),B(-3,4),天线AB段和DE段长度为60km,天线BC段和EF段长度为40km,角度ψs1=ψs3=600,ψs2=ψs4=300,位于地下20km处,频率为f=10Hz。低电离层离地高度h=70km,地球半径a=6370km,地面导电率σg=0.001s/m,电离层导电率σi=0.00001s/m。在图6、图7中,我们分别计算了地下两条ELF线天线在地面上产生电磁场的6个分量的场强空间分布,在每个分布图中,用色标值表示场强在空间的分布强弱。暗红色表示场强值最强,深蓝色表示场强值最弱。由于地层损耗,电磁场水平分量的场强值要比垂直分量的大,而且地下两条线天线在地面上产生的场强值要比单条线天线在地面上产生的场强值大。3地下elf点源的叠加天线单元沿天线有变化,故在考虑整个天线上电流产生的场时,需转换至直角坐标系。地下任意ELF线天线在