我国空间电离层中的低频电力线谐波辐射研究

A Lot of ground-based observation and space-based detection cases show the radiation from the harmonics of the power lines not only affects the utility grid and other systems on the ground, but also causes the disturbances to the ionosphere and magnetosphere in certain conditions. As a man-made pollution to near-earth space, the ground-based observation, the space-based detection, the forming mechanism and the disturbance effects of the power line harmonic radiation (PLHR) have attracted more attention in foreign countries. But little special research on PLHR has been done in China. Using the observation data of the seismo-electromagnetic microsatellite DEMETER of Centre National d'études Spatiales (CNES),this project will study the existence of PLHR phenomenon in China's ionosphere and its possible production causes and resultant effects. Furthermore, the model and its solution on the radiation of power line harmonics propagating in the earth, the neutrosphere and the anisotropic ionosphere will be investigated by the electromagnetic field and electromagnetic wave theory. The implementation of this project is beneficial to deeply understanding the PLHR phenomenon and its formation mechanism and effects on the ionosphere and also helpful to identifing the low frequency electromagnetic effects recorded by seismo-electromagnetic satellites. With the development of China's power grid and the launch of related detection satellite, this project has important practical significance and long-term sense.

大量地基观测和天基探测实例表明，电力线的谐波辐射不仅会对公用电网及其它地面系统造成危害，在一定条件下还会对空间电离层和磁层造成扰动。作为空间环境的一种人为污染源，电力线谐波辐射（PLHR）的地基观测、天基探测、形成机理、扰动效应等在国外颇受关注，但国内尚未开展专门的研究。本项目利用法国国家空间中心DEMETER地震电磁卫星探测数据研究近年来我国空间电离层中是否存在PLHR现象，以及其产生的可能原因与可能造成的影响；还将利用电磁场与电磁波理论研究电力线的谐波辐射在由地球、中性层、各向异性电离层等构成的空间中的传播模型及其解。本项目对于深入认识PLHR现象及其形成机理、PLHR对电离层环境的影响，以及辨识地震电磁卫星记录的低频电磁效应等，具有重要的科学价值。随着我国电网的发展，以及相关探测卫星的发射，本项目的开展具有重要的现实意义和长远意义。

根据大量地基和天基探测实例可知，空间电离层中存在500Hz~4kHz以内、强度高于背景强度10dB及以上（最高可达50dB）、中心频率间隔为50Hz/100Hz或60Hz/120Hz的谐波辐射现象。国外学者普遍认为这种辐射与地面电力系统有关，并将其称为电力线谐波辐射（Power line harmonic radiation，PLHR）。作为空间环境的一种人为污染源，PLHR的地基观测、天基探测、形成机理、扰动效应等在国外颇受关注，但国内尚未开展专门的研究。.本项目利用法国国家空间中心DEMETER电磁卫星探测数据研究了我国空间电离层中存在的PLHR现象。通过所编制的PLHR事件自动识别程序，结合人工肉眼识别的方法，从覆盖我国空间的5532个轨道数据中，在500Hz~5kHz范围内发现了151例PLHR事件，其中132例事件的辐射源有可能来源于我国地面电力系统。分析结果表明，这些事件呈现增多的趋势，2010年和2009年明显多于2008年和2007年，而2008年和2007年又明显多于2006年和2005年；它们发生前后地磁水平并无太大变化；它们的地理分布具有较强的地域聚集特征，即在某些地区可以探测到较多事件，而在其它地区则较少甚至没有；它们的中心频率分布与地磁纬度有密切关系，中纬度的频率较高；它们在冬季、白日的出现率明显高于夏季、黑夜；它们的频率间隔并非恰为50Hz的整数倍，而是具有一定偏差，夜晚呈现上偏趋势，白日呈现下偏趋势；它们发生前后13天内电离层等离子体各成分的密度和温度的变化无规律可循。.为了探究PLHR在电离层中的传播特点，利用解析方法求解了理想导电大地上方由无限长载流导线产生的电磁波在各向异性均匀电离层中的传播模型，结果表明这种辐射源产生的电磁波在电离层中以右旋圆偏振波的方式传播，在某些频率处可能出现导波模；还利用改进的全波求解方法求解了非理想导电大地上方电偶极子源在水平分层各向异性电离层中的传播模型，并分析了不同大地电导率、不同电离层状态（白天和夜晚）、不同地磁场大小和方向对电磁波传播的影响。.本项目已取得的成果有利于进一步解释PLHR的辐射源及其形成的机理，对于深入认识电离层和磁层中的各种动力学过程以及特殊的电磁效应具有重要的科学价值。