Modelling of air-seawater interaction in marine electromagnetics

Lågfrekventa elektromagnetiska fält i havsmiljöer är ett kunskapsområde av stor betydelse för det marina försvaret i tillämpningar som avmagnetisering, mindetektion och elektriska och magnetiska signaturer vid spaning. I denna rapport avhandlas matematiska och numeriska modeller för elektromagnetisk vågutbredning i gränsytan luft-havsvatten för elektriska och magnetiska källor och sensorer i vattenvolymen. Dessa modeller är hjälpmedel för utveckling och analys av system för spaning och skydd av marina enheter. Elektromagnetiska lateralvågor som utbreder sig längs havsytan är ett fenomen av stor betydelse i marin elektromagnetik. Gångvägen löper från en ytnära källa i vattnet rakt upp till havsytan, där vågen utbreder sig i luften med ljushastigheten samtidigt som den exiterar vågor i vattnet genom bestrålning av vattenytan. Passagen i luftrummet gör att amplituden avtar mindre än gångvägar i vattnet och man får därmed längre utbredningsavstånd. En viktig uppgift är att ta fram beräkningsmodeller för kvantifiering av faktiska amplituder i realistiska havsmiljöer med öar och stränder. I den här rapporten avhandlas speciellt finita differensmetoder eftersom de kan tillämpas i komplexa geometrier i 3D. För numeriska simuleringar av lateralvågen måste beräkningsområdet omfatta både luft och vatten vilket är problematiskt p.g.a. den enorma skillnaden i utbredningshastighet, som i sin tur medför helt vitt skilda krav på upplösning i rum och tid. I den här rapporten ges en översikt av karakteristiska egenskaper hos lateralvågen som är relevanta för utveckling av numeriska modeller baserade på finita differenser. Särskild uppmärksamhet ägnas åt problemet med att avgränsa beräkningsområdet i luftrummet. Huvudresultatet är att höjden av luftskiktet måste vara ungefär tre gånger så stort som avståndet mellan sändare och mottagare för att lateralvågen ska kunna beräknas med god noggrannhet. Framtagna resultat illustreras med körexempel.