Радио атмосферное - Radio atmospheric

График зависимости частоты от времени (спектрограмма ) показаны несколько свистун сигналы на фоне сфериков, полученные в Станция Палмер, Антарктида 24 августа 2005 г.

А радиоатмосферный сигнал или сферический (иногда также пишется как «сферический») - это широкополосный электромагнитный импульс, возникающий в результате естественного атмосферного молния разряды. Сферики могут распространяться от своего источника молнии без серьезных затухание в Волновод Земля – ионосфера, и могут быть получены за тысячи километров от источника. На графике во временной области сферика может проявляться как одиночный всплеск большой амплитуды в данных временной области. На спектрограмма сферик выглядит как вертикальная полоса (отражающая его широкополосную и импульсивную природу), которая может проходить от нескольких кГц до нескольких десятков кГц в зависимости от атмосферных условий.

Sferics получил примерно от 2000 километров ' расстояние или больше, их частоты немного смещены во времени, производя твик.

Когда электромагнитная энергия от сферика выходит из ионосферы Земля волновод и входит в магнитосфера, это становится рассредоточенный околоземным плазма, образуя свистун сигнал. Поскольку источником свиста является импульс (т. Е. Сферик), свисток можно интерпретировать как импульсивный ответ магнитосферы (для условий в этот конкретный момент).

Введение

А молния канал со всеми его ответвлениями и электрическими токами ведет себя как огромная антенная система, из которой излучаются электромагнитные волны всех частот. На расстоянии, где видна яркость и слышен гром (обычно около 10 км), эти электромагнитные импульсы являются единственными источниками прямой информации о грозовой активности на земле. Переходные электрические токи во время обратных ударов (удары R) или внутриоблачных ударов (ходы K) являются основными источниками генерации электромагнитного излучения импульсного типа, известного как сферики (иногда называемые атмосферными).[1] В то время как это импульсное излучение преобладает на частотах менее примерно 100 кГц (в широком смысле называемых длинными волнами), непрерывный шумовой компонент становится все более важным на более высоких частотах.[2][3] Длинноволновое электромагнитное распространение сфериков происходит в пределах Волновод Земля-ионосфера между поверхностью Земли и ионосферный D- и E- слои. Свистульки от ударов молнии может распространяться в магнитосфера вдоль геомагнитный силовые линии.[4][5] В заключение, молния в верхних слоях атмосферы или спрайты, которые происходят на мезосферных высотах, представляют собой кратковременные явления электрического пробоя, вероятно, вызванные гигантскими ударами молний на земле.

Исходные свойства

Основные параметры хода

При типичном ударе облака по земле (ход R) отрицательный электрический заряд (электроны) порядка Q ≈ 1 К хранится в канале молнии, опускается на землю в течение типичного временного интервала импульса τ = 100 мкс. Это соответствует среднему току, протекающему в канале, порядка J ≈Q⁄τ = 10 кА. Максимальная спектральная энергия генерируется вблизи частот f ≈1⁄τ = 10 кГц,[6] или на длинах волн λ =c⁄ж ≈ 30 км (куда c это скорость света). В типичных внутриоблачных К-штрихах положительный электрический заряд порядка Q ≈ 10 мкКл в верхней части канала и эквивалентное количество отрицательного заряда в его нижней части нейтрализуют в течение типичного интервала времени τ ≈ 25 мкс. Соответствующие значения для среднего электрического тока, частоты и длины волны: J ≈ 400 А, f ≈ 40 кГц, и λ ≈ 7.5 км. Энергия K-ходов обычно на два порядка меньше, чем энергия R-ходов.[7]

Типичная длина грозовых каналов может быть оценена как ℓ ≈ 1/4λ = 8 км для R-ходов и ℓ ≈ 1/2λ = 4 км для К-штрихов. Часто между последовательными R-ходами протекает постоянная составляющая тока.[1] Его "импульсное" время обычно колеблется от примерно 10–150 мс, его электрический ток порядка J ≈ 100 А, соответствует количеству Q ≈ 1–20 С, f ≈ 7–100 Гц и λ ≈ 3–40 мм. Как R-ходы, так и K-ходы производят сферические сигналы, видимые как когерентную импульсную форму волны в широкополосном приемнике, настроенном в диапазоне 1–100 кГц. Напряженность электрического поля импульса увеличивается до максимального значения в течение нескольких микросекунд, а затем уменьшается, как затухающий осциллятор.[8][9] Направление увеличения напряженности поля зависит от того, отрицательный это разряд или положительный.

Видимая часть канала молнии имеет типичную длину около 5 км. Другая часть сопоставимой длины может быть скрыта в облаке и может иметь значительную горизонтальную ветвь. Очевидно, преобладающая длина волны электромагнитных волн R- и K-штрихов намного больше длины их каналов. Таким образом, физика распространения электромагнитных волн в канале должна быть выведена из теории полной волны, потому что концепция луча не работает.

Ток электрического канала

Канал R-хода можно рассматривать как тонкий изолированный провод длиной L и диаметром d, в котором накоплен отрицательный электрический заряд. С точки зрения электрическая цепь теории, можно принять простой линия передачи модель с конденсатор, где хранится заряд, a сопротивление канала, и индуктивность моделирование электрических свойств канала.[10] В момент контакта с идеально проводящей поверхностью Земли заряд опускается на землю. Для выполнения граничных условий наверху провода (нулевой электрический ток) и на земле (нулевое электрическое напряжение) могут выходить только режимы стоячих резонансных волн. Основная мода, которая наиболее эффективно переносит электрический заряд в землю, имеет, таким образом, длину волны λ, в четыре раза превышающую длину канала L. В случае хода K нижняя граница совпадает с верхней границей.[7][10] Конечно, эта картина действительна только для режима волны 1 (антенна λ / 4) и, возможно, для режима 2 (антенна λ / 2), потому что эти режимы еще не «чувствуют» искаженную конфигурацию реального канала молнии. Моды более высокого порядка вносят вклад в некогерентные зашумленные сигналы в более высоком диапазоне частот (> 100 кГц).

Передаточная функция волновода Земля – ионосфера.

Сферики можно приблизительно смоделировать полем электромагнитного излучения вертикальной Герциан дипольная антенна. Максимальная спектральная амплитуда сферика обычно составляет около 5 кГц. За пределами этого максимума спектральная амплитуда уменьшается как 1 / f, если поверхность Земли была идеально проводящей. Эффект реальной земли заключается в ослаблении высоких частот сильнее, чем низких частот (Зоммерфельд земная волна).

Удары R излучают большую часть своей энергии в диапазоне ELF / VLF (ELF = крайне низкие частоты, <3 кГц; VLF = очень низкие частоты, 3–30 кГц). Эти волны отражаются и затухают на земле, а также в слое D ионосферы, на высоте около 70 км в дневных условиях и на высоте около 90 км в ночное время. Отражение и затухание на земле зависит от частоты, расстояния и орография. В случае ионосферного D-слоя это зависит, кроме того, от времени суток, сезона, широты и геомагнитное поле сложным образом. Распространение VLF в пределах Волновод Земля – ионосфера может быть описан теорией лучей и теорией волн.[11][12]

Когда расстояния меньше примерно 500 км (в зависимости от частоты), подходит теория лучей. Земная волна и первая скачковая (или небесная) волна, отраженные от слоя D ионосферы, интерферируют друг с другом.

На расстояниях более 500 км необходимо добавить небесные волны, несколько раз отраженные от ионосферы. Поэтому теория мод здесь более уместна. Первая мода наименее затухает в волноводе Земля – ионосфера и, таким образом, доминирует на расстояниях более 1000 км.

В Волновод Земля – ионосфера дисперсионный. Его характеристики распространения описываются функция передачи T (ρ, f) в основном зависит от расстояния ρ и частоты f. В ОНЧ-диапазоне на расстояниях более 1000 км важна только первая мода. Наименьшее затухание этого режима происходит примерно на 15 кГц. Следовательно, волновод Земля – ионосфера ведет себя как полосовой фильтр, выделяя эту полосу из широкополосного сигнала. Сигнал 15 кГц преобладает на расстояниях более 5000 км. Для волн СНЧ (<3 кГц) теория лучей становится недействительной, и подходит только теория мод. Здесь начинает преобладать нулевая мода, отвечающая за второе окно на больших расстояниях.

Резонансные волны этой нулевой моды могут возбуждаться в резонаторе волновода Земля – ионосфера, в основном, за счет составляющих постоянного тока молнии, протекающих между двумя обратными ударами. Их длины волн представляют собой целые доли окружности Земли, и их резонансные частоты, таким образом, могут быть приблизительно определены с помощью жм ≃ MC/ (2πа) ≃ 7.5 м Гц (с м = 1, 2, ...; а радиус Земли и c скорость света). Эти резонансные моды с их основной частотой ж1 ≃ 7,5 Гц известны как Шумановские резонансы.[13][14]

Мониторинг грозовой активности с помощью sferics

Около 100 ударов молнии в секунду генерируются во всем мире, возбужденные грозы расположен преимущественно в континентальных районах низких и средних широт.[15][16] Для наблюдения за грозовой активностью подходящим средством являются сферики.

Измерения Шумановские резонансы только на нескольких станциях по всему миру можно достаточно хорошо отслеживать глобальную грозовую активность.[14] Можно применить дисперсионное свойство Волновод Земля – ионосфера измеряя групповая скорость сферического сигнала на разных частотах вместе с его направлением прихода. Разница группового времени задержки соседних частот в нижнем ОНЧ диапазоне прямо пропорциональна расстоянию до источника. Поскольку затухание ОНЧ-волн меньше при распространении с запада на восток и в ночное время, для сигналов, поступающих с запада в ночное время, можно наблюдать грозовую активность на расстояниях около 10 000 км. В противном случае дальность передачи составляет порядка 5000 км.[17]

Для регионального диапазона (<1000 км) обычным способом является магнитная радиопеленгация, а также измерения времени прибытия сферического сигнала, наблюдаемого одновременно на нескольких станциях.[18] Презумпция таких измерений - это концентрация на одном индивидуальном импульсе. Если одновременно измерять несколько импульсов, возникает интерференция с частотой биений, равной времени обратной средней последовательности импульсов.

Влияние сфериков на человека

Исследование Райнхольда Рейтера с участием миллиона человек в Германии в 1954 году показало, что люди чувствительны к воздействию атмосферных сигналов ОНЧ-радио. Число рождений, смертей, самоубийств, изнасилований, производственных травм, дорожно-транспортных происшествий, время реакции людей, боли людей с ампутированными конечностями и жалобы людей с травмами головного мозга значительно увеличились, когда сферики VLF были сильнее.[19][20][ненадежный периферийный источник? ]

Атмосферный шум

В сигнал-шум определяет чувствительность и чувствительность телекоммуникации системы (например, радиоприемники). An аналоговый сигнал должен явно превышать амплитуду шума, чтобы его можно было обнаружить. Атмосферный шум является одним из наиболее важных источников ограничения обнаружения радиосигналов.

Установившиеся токи электрического разряда в канале молнии вызывают серию некогерентных импульсов во всем диапазоне частот, амплитуда которых уменьшается примерно с обратной частотой. В диапазоне ELF технический шум от 50 до 60 Гц, естественный шум от магнитосфера и т.д. доминирует. В VLF-диапазоне есть когерентные импульсы от R- и K-штрихов, возникающие из-за фонового шума.[21] Выше 100 кГц амплитуда шума становится все более и более некогерентной. Кроме того, накладываются технические шумы от электродвигателей, систем зажигания автомобилей и т. Д. Наконец, за пределами диапазона высоких частот (3–30 МГц) доминирует внеземной шум (шум галактического происхождения, солнечный шум).[2][3]

Атмосферный шум зависит от частоты, местоположения и времени дня и года. Измерения этого шума во всем мире документируются в отчетах CCIR.[а][22]

Смотрите также

Сноски

  1. ^ Акроним CCIR означает Международный консультативный комитет по радиосвязи (Международный консультативный комитет по радиосвязи).


использованная литература

  1. ^ а б Умань, М.А. (1980), Разряд молнии, Нью-Йорк: Академическая пресса
  2. ^ а б Льюис, Э. А. (1982), "Высокочастотный радиошум", в Volland, H. (ed.), Справочник по атмосфере CRC, я, Бока-Ратон, Флорида: CRC Press, стр. 251–288, ISBN  9780849332265
  3. ^ а б Проктор, Д. Э. (1995), "Радиошум выше 300 кГц из-за естественных причин", Volland, H. (ed.), Справочник по атмосферной электродинамике, я, Бока-Ратон, Флорида: CRC Press, стр. 311–358, ISBN  9780849386473
  4. ^ Хаякава, М. (1995), «Свистящие», в Volland, H. (ed.), Справочник по атмосферной электродинамике, II, Бока-Ратон, Флорида: CRC Press, стр. 155–193.
  5. ^ Park, C.G. (1982), "Whistlers", в Volland, H (ed.), Справочник по атмосфере CRC, II, Бока-Ратон, Флорида: CRC Press, стр. 21–77, ISBN  0849332273
  6. ^ Serhan, G.L .; и другие. (1980), «Радиочастотные спектры первого и последующих ударов молнии в ℓ ≈ 100 км классифицировать", Радио Наука, 15 (108)
  7. ^ а б Volland, H. (1995), "Распространение длинноволновых сферических волн в атмосферном волноводе", Volland, H. (ed.), Справочник по атмосферной электродинамике, II, Бока-Ратон, Флорида: CRC Press, стр. 65–93.
  8. ^ Lin, Y.T .; и другие. (1979). «Определение характеристик электрического и магнитного полей обратного удара молнии при одновременных измерениях на двух станциях». J. Geophys. Res. 84: 6307. Bibcode:1979JGR .... 84.6307L. Дои:10.1029 / JC084iC10p06307.
  9. ^ Weidman, C.D .; Кридер, Э. П. (1979). «Формы волн поля излучения, возникающие при внутриоблачных процессах разряда молнии». J. Geophys. Res. 84: 3159. Bibcode:1979JGR .... 84,3159 Вт. Дои:10.1029 / JC084iC06p03159.
  10. ^ а б Волланд, Х. (1984), Атмосферная электродинамика, Берлин: Springer
  11. ^ Подождите, Дж. Р. (1982), Теория распространения волн, Нью-Йорк: Pergamon Press
  12. ^ Harth, W. (1982), "Теория распространения низкочастотных волн", Volland, H. (ed.), Справочник по атмосфере CRC, II, Бока-Ратон, Флорида: CRC Press, стр. 133–202, ISBN  0849332273
  13. ^ Полк, К. (1982), "Шумановские резонансы", в Volland, H. (ed.), Справочник по атмосфере CRC, я, Бока-Ратон, Флорида: CRC Press, стр. 111–178, ISBN  9780849332265
  14. ^ а б Сентман, Д. Д. (1995), "Резонансы Шумана", в Volland, H. (ed.), Справочник по атмосферной электродинамике, я, Бока-Ратон, Флорида: CRC Press, стр. 267–295, ISBN  9780849386473
  15. ^ Воннегут, Б. (1982), «Физика грозовых облаков», в Volland, H (ed.), Справочник по атмосфере CRC, я, Бока-Ратон, Флорида: CRC Press, стр. 1–22, ISBN  9780849332265
  16. ^ Уильямс, Э. Р. (1995), "Метеорологические аспекты гроз", в Volland, H. (ed.), Справочник по атмосферной электродинамике, я, Бока-Ратон, Флорида: CRC Press, стр. 27–60, ISBN  9780849386473
  17. ^ Грандт, К. (1992), "Мониторинг грозы в Южной Африке и Европе с помощью VLF sferics", J. Geophys. Res., 97: 18215, Bibcode:1992JGR .... 9718215G, Дои:10.1029 / 92JD01623
  18. ^ Орвилл, Р. Э. (1995), "Обнаружение молний с земли и из космоса", в Волланде, Х. (ред.), Справочник по атмосферной электродинамике, я, Бока-Ратон, Флорида: CRC Press, стр. 137–149, ISBN  9780849386473
  19. ^ Райтер, Рейнхольд (1954). "Umwelteinflüsse auf die Reaktionszeit des gesunden Menschen". п. 481.
  20. ^ Фирстенберг, Артур (2017). Невидимая радуга. п. 120.
  21. ^ Fraser-Smith, A.C (1995), "Низкочастотный радиошум", Volland, H. (ed.), Справочник по атмосферной электродинамике, я, Бока-Ратон, Флорида: CRC Press, стр. 297–310, ISBN  9780849386473
  22. ^ Сполдинг, А. Д. (1995). «Атмосферный шум и его влияние на работу телекоммуникационных систем». В Волланде, Х. (ред.). Справочник по атмосферной электродинамике. я. Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. С. 359–395. ISBN  9780849386473.

внешняя ссылка