Radio atmosferyczne - Radio atmospheric

Działka czas vs. częstotliwości ( spektrogram ) pokazano kilka Whistler sygnałów pośród tle sferics jak wpłynęło Palmer Station , Antarctica 24 sierpnia 2005 r.

Sygnału radiowego atmosferycznym lub sferic (czasami również pisany „sferyczny”) jest szerokopasmowy elektromagnetycznego impulsu, który występuje w wyniku naturalnych atmosferycznych pioruna wyładowania. Sferyki mogą rozprzestrzeniać się ze swojego źródła piorunów bez większego tłumienia w falowodzie Ziemia-jonosfera i mogą być odbierane tysiące kilometrów od ich źródła. Na wykresie w dziedzinie czasu sfera może pojawić się jako pojedynczy skok o wysokiej amplitudzie w danych w dziedzinie czasu. Na spektrogramie kula pojawia się jako pionowy pasek (odzwierciedlający jego szerokopasmowy i impulsowy charakter), który może rozciągać się od kilku kHz do kilkudziesięciu kHz, w zależności od warunków atmosferycznych.

Sferyki odbierane z odległości około 2000 kilometrów lub większej mają nieco przesunięte w czasie częstotliwości, co powoduje powstawanie tweeków .

Kiedy energia elektromagnetyczna z kuli ucieka z falowodu jonosfery Ziemi i wchodzi do magnetosfery , zostaje rozproszona przez plazmę zbliżoną do Ziemi , tworząc sygnał gwizdka . Ponieważ źródłem gwizdka jest impuls (tj. sfera), gwizdek można interpretować jako odpowiedź impulsową magnetosfery (dla warunków w danym momencie).

Wprowadzenie

Pioruna kanał ze wszystkich gałęziach i jego elektrycznych prądów zachowuje się jak ogromny systemu antenowego z tym, które fale elektromagnetyczne wszystkich częstotliwości, generowane. Poza odległością, na której widać jasność i słychać grzmoty (zwykle około 10 km), te impulsy elektromagnetyczne są jedynymi źródłami bezpośrednich informacji o aktywności burzy na ziemi. Przejściowe prądy elektryczne podczas uderzeń powrotnych (uderzenia R) lub uderzeń w chmurze (uderzenia K) są głównymi źródłami generowania promieniowania elektromagnetycznego typu impulsowego, znanego jako sferyczne (czasami nazywane atmosferą). Podczas gdy to promieniowanie impulsowe dominuje przy częstotliwościach mniejszych niż około 100 kHz (luźno nazywanych falami długimi), ciągły składnik szumu staje się coraz ważniejszy przy wyższych częstotliwościach. Propagacja elektromagnetyczna kulek o długich falach odbywa się w falowodzie Ziemia-jonosfera między powierzchnią Ziemi a warstwami jonosferycznymi D- i E-. Gwizdki generowane przez uderzenia piorunów mogą rozprzestrzeniać się w magnetosferze wzdłuż geomagnetycznych linii sił. Wreszcie, pioruny w wyższych warstwach atmosfery lub sprite'y , które występują na wysokościach mezosfery, są krótkotrwałymi zjawiskami przebicia elektrycznego, prawdopodobnie generowanymi przez gigantyczne wyładowania atmosferyczne na ziemi.

Właściwości źródła

Podstawowe parametry skoku

W typowym uderzeniu chmura-ziemia (skok R), ujemny ładunek elektryczny (elektrony) rzędu Q ≈ 1 C zmagazynowany w kanale piorunowym jest obniżany do ziemi w typowym przedziale czasu trwania impulsu τ = 100 μs. Odpowiada to średniemu prądowi płynącemu w kanale rzędu J ≈ Qτ = 10 kA . Maksymalna energia widmowa jest generowana przy częstotliwościach f ≈ 1τ = 10 kHz lub przy długościach fal λ = cf 30 km (gdzie c jest prędkością światła). W typowych K-strokach wewnątrzchmurowych dodatni ładunek elektryczny rzędu Q ≈ 10 mC w górnej części kanału i równoważna ilość ładunku ujemnego w jego dolnej części neutralizują się w typowym przedziale czasu τ ≈ 25 μs . Odpowiednie wartości średniego prądu elektrycznego, częstotliwości i długości fali to J ≈ 400 A , f ≈ 40 kHz i λ ≈ 7,5 km . Energia uderzeń K jest na ogół o dwa rzędy wielkości słabsza niż energia uderzeń R.

Można oszacować, że typowa długość kanałów piorunowych jest rzędu 1/4λ = 8 km dla uderzeń R i ℓ ≈1/2λ = 4 km dla uderzeń K. Często między kolejnymi skokami R przepływa ciągła składowa prądu. Jego czas „impulsu” zwykle waha się od około 10–150 ms, jego prąd elektryczny jest rzędu J 100 A , co odpowiada liczbom Q ≈ 1–20 C , f ≈ 7–100 Hz i λ ≈ 3– 40 mm . Zarówno udary R, ​​jak i K wytwarzają sferiki postrzegane jako spójny kształt fali impulsowej w odbiorniku szerokopasmowym dostrojonym w zakresie 1–100 kHz. Natężenie pola elektrycznego impulsu wzrasta do wartości maksymalnej w ciągu kilku mikrosekund, a następnie maleje jak oscylator tłumiony. Orientacja wzrostu natężenia pola zależy od tego, czy jest to wyładowanie ujemne czy dodatnie

Widoczna część kanału piorunowego ma typową długość około 5 km. Inna część o porównywalnej długości może być ukryta w chmurze i może mieć znaczną poziomą gałąź. Najwyraźniej dominująca długość fali fal elektromagnetycznych w udarach R i K jest znacznie większa niż długość ich kanałów. Fizyka propagacji fali elektromagnetycznej w kanale musi zatem wywodzić się z teorii fal pełnych, ponieważ koncepcja promienia załamuje się.

Prąd kanału elektrycznego

Kanał skoku R można traktować jako cienki izolowany drut o długości L i średnicy d, w którym został zmagazynowany ujemny ładunek elektryczny. Z punktu widzenia teorii obwodów elektrycznych można przyjąć prosty model linii transmisyjnej z kondensatorem , w którym gromadzony jest ładunek, rezystancja kanału i indukcyjność symulująca właściwości elektryczne kanału. W momencie kontaktu z doskonale przewodzącą powierzchnią Ziemi ładunek zostaje opuszczony na ziemię. Aby spełnić warunki brzegowe na górze przewodu (zerowy prąd elektryczny) i przy ziemi (zerowe napięcie elektryczne), mogą wyjść tylko stojące fale rezonansowe. Mod podstawowy, który najskuteczniej przenosi ładunek elektryczny do gruntu, ma zatem długość fali λ czterokrotnie większą od długości kanału L. W przypadku skoku K granica dolna jest taka sama jak granica górna. Oczywiście ten obraz jest ważny tylko dla trybu fali 1 (antena λ/4) i być może dla trybu 2 (antena λ/2), ponieważ te tryby nie „odczuwają” jeszcze zniekształconej konfiguracji rzeczywistego kanału piorunowego. Tryby wyższego rzędu przyczyniają się do niespójnych, zaszumionych sygnałów w wyższym zakresie częstotliwości (> 100 kHz).

Funkcja przenoszenia falowodu Ziemia–jonosfera

Sferics można symulować w przybliżeniu za pomocą pola promieniowania elektromagnetycznego pionowej anteny dipolowej Hertza . Maksymalna amplituda widmowa kuli zwykle wynosi blisko 5 kHz. Powyżej tego maksimum amplituda widmowa zmniejsza się o 1/f, jeśli powierzchnia Ziemi doskonale przewodzi. Efektem rzeczywistego gruntu jest silniejsze tłumienie wyższych częstotliwości niż niższych ( fala gruntowa Sommerfelda ).

Uderzenia R emitują większość swojej energii w zakresie ELF/VLF ( ELF = ekstremalnie niskie częstotliwości, < 3 kHz; VLF = bardzo niskie częstotliwości, 3–30 kHz). Fale te są odbijane i tłumione na ziemi, jak również w jonosferycznej warstwie D, na wysokości około 70 km w ciągu dnia i na wysokości około 90 km w nocy. Odbicie i tłumienie od podłoża zależy od częstotliwości, odległości i orografii . W przypadku jonosferycznej warstwy D zależy to dodatkowo od pory dnia, pory roku, szerokości geograficznej i pola geomagnetycznego w skomplikowany sposób. Propagację VLF w falowodzie Ziemia-jonosfera można opisać teorią promieni i teorią fal.

Gdy odległości są mniejsze niż około 500 km (w zależności od częstotliwości), odpowiednia jest teoria promieni. Fala przyziemna i pierwsza fala przeskoku (lub nieba) odbite od jonosferycznej warstwy D interferują ze sobą.

W odległościach większych niż około 500 km trzeba dodać fale nieba odbite kilkakrotnie od jonosfery. Dlatego teoria modów jest tutaj bardziej odpowiednia. Pierwszy mod jest najmniej tłumiony w falowodzie Ziemia–jonosfera, a zatem dominuje na odległościach większych niż około 1000 km.

Falowodu Ziemia-jonosfera jest dyspersyjne. Jego charakterystykę propagacji opisuje transmitancja T(ρ,f) zależna głównie od odległości ρ i częstotliwości f. W zakresie VLF na dystansach większych niż około 1000 km ważny jest tylko tryb jeden. Najmniejsze tłumienie w tym trybie występuje przy około 15 kHz. Dlatego falowód Ziemia-jonosfera zachowuje się jak filtr pasmowoprzepustowy, wybierając to pasmo z sygnału szerokopasmowego. Sygnał 15 kHz dominuje na odległościach większych niż około 5000 km. W przypadku fal ELF (< 3 kHz) teoria promieni staje się nieważna i odpowiednia jest tylko teoria modów. Tutaj zaczyna dominować tryb zerowy i odpowiada za drugie okno na większych odległościach.

Fale rezonansowe tego trybu zerowego mogą być wzbudzane we wnęce falowodu Ziemia-jonosfera, głównie przez ciągłe składowe prądu pioruna przepływającego między dwoma uderzeniami powrotnymi. Ich długości fal są integralnymi ułamkami obwodu Ziemi, a ich częstotliwości rezonansowe można zatem w przybliżeniu określić przez f m  ≃  mc /(2π a ) ≃ 7,5  m  Hz (przy m = 1, 2, ...; a promień Ziemi i c prędkość światła). Te mody rezonansowe o częstotliwości podstawowej f 1  7,5 Hz są znane jako rezonanse Schumanna .

Monitorowanie aktywności burzy za pomocą sferics

Około 100 uderzeń piorunów na sekundę jest generowanych na całym świecie pod wpływem burz z piorunami zlokalizowanymi głównie w obszarach kontynentalnych na niskich i średnich szerokościach geograficznych. Aby monitorować aktywność burzy, odpowiednie są sferyki.

Pomiary rezonansów Schumanna na zaledwie kilku stacjach na całym świecie mogą dość dobrze monitorować globalną aktywność wyładowań atmosferycznych. Można zastosować dyspersyjną właściwość falowodu Ziemia–jonosfera , mierząc grupową prędkość sygnału sferycznego o różnych częstotliwościach wraz z kierunkiem jego nadejścia. Różnica opóźnienia grupowego sąsiednich częstotliwości w dolnym paśmie VLF jest wprost proporcjonalna do odległości źródła. Ponieważ tłumienie fal VLF jest mniejsze dla propagacji z zachodu na wschód oraz w nocy, można zaobserwować aktywność burzy do odległości około 10 000 km dla sygnałów docierających z zachodu w warunkach nocnych. W przeciwnym razie zasięg transmisji jest rzędu 5000 km.

Dla zasięgu regionalnego (< 1000 km) typowym sposobem jest wyznaczanie kierunku magnetycznego oraz pomiary czasu nadejścia sygnału sferycznego obserwowanego jednocześnie na kilku stacjach. Założeniem takich pomiarów jest koncentracja na pojedynczym impulsie. Jeśli mierzy się jednocześnie kilka impulsów, interferencja ma miejsce z częstotliwością dudnienia równą odwrotnemu średniemu czasowi sekwencji impulsów.

Hałas atmosferyczny

Stosunek sygnału do szumu określa czułość i czułość systemów telekomunikacyjnych (np. odbiorników radiowych). Sygnał analogowy musi wyraźnie przekracza amplitudę szumów, by stać się wykrywalne. Hałas atmosferyczny jest jednym z najważniejszych źródeł ograniczenia detekcji sygnałów radiowych.

Stałe elektryczne prądy wyładowania w kanale piorunowym powodują szereg niespójnych impulsów w całym zakresie częstotliwości, których amplitudy maleją w przybliżeniu z odwrotną częstotliwością. W zakresie ELF dominuje szum techniczny 50-60 Hz, naturalny szum magnetosfery itp. W zakresie VLF występują spójne impulsy z uderzeń R i K, wyłaniające się z szumu tła. Powyżej około 100 kHz amplituda szumów staje się coraz bardziej niespójna. Dodatkowo nakładają się szumy techniczne silników elektrycznych, układów zapłonowych samochodów osobowych itp. Wreszcie, poza pasmem wysokich częstotliwości (3–30 MHz) dominuje szum pozaziemski (hałas pochodzenia galaktycznego, szum słoneczny).

Hałas atmosferyczny zależy od częstotliwości, lokalizacji oraz pory dnia i roku. Ogólnoświatowe pomiary tego hałasu są dokumentowane w raportach CCIR.

Zobacz też

Przypisy


Bibliografia

Linki zewnętrzne