电力线工频及其谐波辐射是电力系统最为常见的电磁辐射，也是近地空间重要的电磁干扰源，利用卫星观测有利于系统全面研究电力线辐射时空强分布特征，为研究极低频电磁波传播特征和开展近地空间电磁探测提供帮助。
以往的研究表明卫星探测到的高阶电力线谐波事件并不多见，但电力线三次谐波在顶部电离层中较为常见。但由于缺乏全球分布的电磁波形数据，对电力线三次谐波在顶部电离层的波强和时空分布仍然缺乏系统的调查。
中国地震局地球物理研究所廖力副研究员等利用中国地震电磁监测试验卫星（CSES）全球分布的2.5 kHz电磁波数据，系统和全面地分析了电力线三次谐波发生率的全球分布特征、季节和年度变化及其波强的统计特征，以便进一步研究电力线谐波辐射对近地空间环境的影响以及电离层对电力线谐波辐射穿透电离层传播的影响。
结果表明180 Hz电力线谐波辐射发生率较高的区域主要位于美国东部区域，此外，在美国西部和巴西区域也观测到了180 Hz电力线三次谐波事件，这与卫星观测到的60 Hz电力线工频辐射空间分布吻合。然而，150 Hz电力线谐波辐射反而出现在50 Hz工频辐射发生较少的中国西部、印度北部和亚洲中部（图1），显示出电力线三次谐波辐射的空间分布存在显著的区域差异。
图1 2019年至2022年180 Hz和150 Hz的电力线三次谐波辐射发生率的全球分布
研究统计了美国区域和中国区域上空电力线工频辐射和三次谐波辐射的电场功率谱密度强度。结果显示，两个区域夜间的电力线工频和三次谐波辐射强度均高于白天。但出乎意料的是，无论是日侧还是夜侧，180 Hz的三次谐波强度都高于60 Hz的工频辐射强度，特别是日侧三次谐波的平均强度比工频辐射强度高出约0.4个数量级（均值差异通过T检验具有显著统计性）。然而，与美国区域的结果不同，中国区域150 Hz的三次谐波强度明显小于50 Hz的工频辐射强度，进一步揭示电力线三次谐波辐射存在显著的区域差异。
图2 60Hz电力线工频辐射和180Hz三次谐波辐射电场的功率谱密度
研究成果2024年发表于学术期刊Journal of Geophysical Research: Space Physics（Liao, L., Zhao, S., Ma, Z., Shen, X., Peng, H. and Lu, H., 2024. An investigation of the third harmonic power line emission in the topside ionosphere during the recent solar minimum period. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 129(8), p.e2024JA032899），受中国科学院国家空间科学中心国家重点实验室基金项目资助。
【作者简介】
廖力，副研究员，主要从事低频电磁波耦合传播及地球动力学和地震破裂动力学数值模拟研究。
