Радиоатмосферный сигнал
Радиоатмосферный сигнал или сферический (иногда также пишется «сферический») — это широкополосный электромагнитный импульс, возникающий в результате естественных атмосферных грозовых разрядов. Сферики могут распространяться от источника молнии без значительного ослабления в волноводе Земля-ионосфера и могут быть приняты за тысячи километров от источника. На графике во временной области сферика может выглядеть как одиночный всплеск высокой амплитуды в данных во временной области. На спектрограмме сферик выглядит как вертикальная полоса (отражающая его широкополосный и импульсивный характер), которая может простираться от нескольких кГц до нескольких десятков кГц, в зависимости от атмосферных условий.
Частоты сферических сигналов, полученных с расстояния около 2000 километров и более, немного смещаются во времени, что приводит к твикам .
Когда электромагнитная энергия из сферы выходит из волновода Земля-ионосфера и попадает в магнитосферу , она рассеивается околоземной плазмой , образуя свистящий сигнал. Поскольку источником свиста является импульс (т.е. сферический), то свист можно интерпретировать как импульсную реакцию магнитосферы (для условий в данный момент).
Введение
[ редактировать ]Канал молнии со всеми его ответвлениями и электрическими токами ведет себя как огромная антенная система, от которой излучаются электромагнитные волны всех частот. За пределами расстояния, на котором видно светимость 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 (R-удары) или внутриоблачных ударов (K-удары) являются основными источниками генерации электромагнитного излучения импульсного типа, известного как сферики (иногда называемые атмосфериками). [1] Хотя это импульсивное излучение доминирует на частотах менее 100 кГц (широко называемое длинными волнами), непрерывный шумовой компонент становится все более важным на более высоких частотах. [2] [3] Длинноволновое электромагнитное распространение сфериков происходит внутри волновода Земля-ионосфера между поверхностью Земли и D- и E-слоями ионосферы . Свисты, генерируемые ударами молний, могут распространяться в магнитосферу вдоль геомагнитных силовых линий. [4] [5] Наконец, молнии или спрайты в верхних слоях атмосферы , возникающие на мезосферных высотах, представляют собой кратковременные явления электрического пробоя, вероятно, вызванные гигантскими молниями на земле.
Исходные свойства
[ редактировать ]Основные параметры хода
[ редактировать ]При типичном ударе облако-земля (удар R) отрицательный электрический заряд (электроны) порядка Q ≈ 1 Кл, накопленный в канале молнии, опускается на землю в течение типичного интервала времени импульса τ = 100 мкс. Это соответствует среднему току, протекающему внутри канала порядка J ≈ Q ⁄ τ знак равно 10 кА. Максимальная спектральная энергия генерируется вблизи частот f ≈ 1 ⁄ τ = 10 кГц, [6] или на длинах волн λ = c / f ≈ 30 км (где c – скорость света). В типичных внутриоблачных К-ударах положительный электрический заряд порядка Q ≈ 10 мКл в верхней части канала и эквивалентное количество отрицательного заряда в его нижней части нейтрализуются за характерный интервал времени τ ≈ 25 мкс. Соответствующие значения среднего электрического тока, частоты и длины волны составляют J ≈ 400 А, f ≈ 40 кГц и λ ≈ 7,5 км. Энергия К-ударов вообще на два порядка слабее энергии R-ударов. [7]
Типичная длина каналов молнии может быть оценена порядка ℓ ≈ 1/4 8 ℓ λ = км для R-ходов и ≈ 1/2 км 4 λ = для К-ходов. Часто между последовательными R-ходами протекает постоянный компонент тока. [1] Время его «импульса» обычно колеблется в пределах примерно 10–150 мс, его электрический ток порядка J ≈ 100 А, что соответствует числам Q ≈ 1–20 Кл, f ≈ 7–100 Гц и λ ≈ 3–20 Кл. 40 мм. Как R-ходы, так и K-ходы создают сферические волны, которые рассматриваются как когерентный импульсный сигнал в широкополосном приемнике, настроенном в диапазоне 1–100 кГц. Напряженность электрического поля импульса возрастает до максимального значения в течение нескольких микросекунд, а затем спадает, 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 иметь значительную горизонтальную ветвь. Очевидно, что доминирующая длина волны электромагнитных волн R- и K-ударов значительно превышает длину их каналов. Таким образом, физика распространения электромагнитных волн внутри канала должна быть выведена из полной волновой теории, поскольку концепция лучей терпит неудачу.
Ток электрического канала
[ редактировать ]Канал R-хода можно рассматривать как тонкий изолированный провод длиной L и диаметром d, в котором накоплен отрицательный электрический заряд. С точки зрения теории электрических цепей можно принять простую модель линии передачи с конденсатором , в котором хранится заряд, сопротивлением канала и индуктивностью, имитирующей электрические свойства канала. [10] В момент контакта с идеально проводящей поверхностью Земли заряд опускается на землю. Для выполнения граничных условий на вершине провода (нулевой электрический ток) и на земле (нулевое электрическое напряжение) могут выходить только моды стоячих резонансных волн. Таким образом, основная мода, которая наиболее эффективно переносит электрический заряд на землю, имеет 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 справедлива только для волновой моды 1 (антенна λ/4).и, возможно, для режима 2 (антенна λ/2), поскольку эти режимы еще не «чувствуют» искаженную конфигурацию реального канала молнии. Моды более высокого порядка способствуют появлению некогерентных зашумленных сигналов в более высоком частотном диапазоне (> 100 кГц).
Передаточная функция волновода Земля–ионосфера
[ редактировать ]Сферики можно приближенно моделировать полем электромагнитного излучения вертикальной Герца дипольной антенны . Максимальная спектральная амплитуда сферика обычно составляет около 5 кГц. За пределами этого максимума спектральная амплитуда уменьшается как 1/f, если поверхность Земли является идеально проводящей. Эффект реальной земли заключается в более сильном ослаблении более высоких частот, чем более низких ( земная волна Зоммерфельда ).
Удары R излучают большую часть своей энергии в диапазоне ELF/VLF ( ELF = чрезвычайно 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 дневное время и на высоте около 90 км в ночное время. Отражение и затухание на земле зависит от частоты, расстояния и орографии . В случае D-слоя ионосферы он, кроме того, зависит от времени суток, сезона, широты и геомагнитного поля сложным образом . Распространение ОНЧ в волноводе Земля–ионосфера может быть описано лучевой теорией и волновой теорией. [11] [12]
Когда расстояния меньше примерно 500 км (в зависимости от частоты), тогда подходит лучевая теория. Земная волна и первая скачковая (или небесная) волна, отраженная от D-слоя 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 примерно 1000 км.
Волновод Земля–ионосфера является дисперсионным. Характеристики его распространения описываются передаточной функцией T(ρ, f), зависящей главным образом от расстояния ρ и частоты f. В ОНЧ-диапазоне важен только первый режим на расстояниях более примерно 1000 км. Наименьшее затухание этой моды происходит на частоте около 15 кГц. Поэтому волновод Земля–ионосфера ведет себя как полосовой фильтр, выделяя эту полосу из широкополосного сигнала. Сигнал частотой 15 кГц доминирует на расстояниях более 5000 км. Для волн ELF (< 3 кГц) лучевая теория становится недействительной, и подходит только теория мод. Здесь нулевая мода начинает доминировать и отвечает за второе окно на больших расстояниях.
Резонансные волны этой нулевой моды могут возбуждаться в волноводной полости Земля-ионосфера, главным образом, за счет непрерывных компонент тока молнии, протекающих между двумя обратными ударами. Их длины волн представляют собой целые доли длины окружности Земли, и их резонансные частоты, таким образом, можно приблизительно определить по формуле f m ≃ mc /(2π a ) ≃ 7,5 м Гц (при m = 1, 2, ...; a радиус Земли и в) скорость света). Эти резонансные моды с их основной частотой f 1 ≃ 7,5 Гц известны как резонансы Шумана . [13] [14]
Мониторинг грозовой активности с помощью сфериков
[ редактировать ]Около 100 ударов молний в секунду генерируются во всем мире, возбуждаемые грозами, расположенными преимущественно в континентальных районах низких и средних широт. [15] [16] Для мониторинга грозовой активности подходящим средством являются сферики.
Измерения резонансов Шумана лишь на нескольких станциях по всему миру позволяют довольно хорошо отслеживать глобальную грозовую активность. [14] Можно применить дисперсионное свойство волновода Земля-ионосфера, измеряя групповую скорость сферического сигнала на разных частотах вместе с направлением его прихода. Разность групповых временных задержек соседних частот в нижнем УНЧ-диапазоне прямо пропорциональна удаленности источника. Поскольку затухание ОНЧ-волн меньше при распространении с запада на восток и в ночное время, грозовую активность можно наблюдать на расстояниях около 10 000 км для сигналов, поступающих с запада в ночное время. В остальном дальность трансмиссии составляет порядка 5000 км. [17]
Для регионального радиуса действия (< 1000 км) обычным способом является магнитная пеленгация, а также измерение времени прихода сферического сигнала, наблюдаемого одновременно на нескольких станциях. [18] Презумпцией таких измерений является концентрация на одном отдельном импульсе. Если одновременно измерять несколько импульсов, возникает интерференция с частотой биений, равной обратному среднему времени последовательности импульсов.
Атмосферный шум
[ редактировать ]Отношение сигнал/шум определяет чувствительность и чувствительность телекоммуникационных систем (например, радиоприемников). шума . Чтобы стать обнаруживаемым, аналоговый сигнал должен явно превышать амплитуду Атмосферный шум является одним из важнейших источников ограничения обнаружения радиосигналов.
Устойчивые электрические разрядные токи в канале молнии вызывают серию некогерентных импульсов во всем диапазоне частот, амплитуда которых уменьшается примерно с обратной частотой. В СНЧ-диапазоне преобладают технические шумы от 50 до 60 Гц, естественные шумы магнитосферы и т.п. В ОНЧ-диапазоне присутствуют когерентные импульсы от R- и K-ударов, возникающие на фоне фонового шума. [19] За пределами примерно 100 кГц амплитуда шума становится все более и более некогерентной. Кроме того, накладываются технические шумы от электродвигателей, систем зажигания автомобилей и т.п. 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 суток и года. Мировые измерения этого шума документированы в отчетах CCIR. [а] [20]
См. также
[ редактировать ]- Вспышка торнадо на Великих равнинах в 1955 году.
- Cluster One , трек Pink Floyd используются сферики и рассветный припев . , в котором в качестве увертюры
Сноски
[ редактировать ]- ^ Аббревиатура CCIR расшифровывается как Comité Consultatif International des Radiocommunication (Международный консультативный комитет по радиосвязи).
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Умань, Массачусетс (1980), Разряд молнии , Нью-Йорк: Academic Press.
- ^ Перейти обратно: а б Льюис, Э.А. (1982), «Высокочастотный радиошум», Волланд, Х. (редактор), CRC Handbook of Atmospherics , vol. Я, Бока-Ратон, Флорида: CRC Press , стр. 251–288, ISBN. 9780849332265
- ^ Перейти обратно: а б Проктор, Д.Э. (1995), «Радиошум выше 300 кГц, вызванный естественными причинами», в Волланде, Х. (ред.), Справочник по атмосферной электродинамике , том. Я, Бока-Ратон, Флорида: CRC Press, стр. 311–358, ISBN. 9780849386473
- ^ Хаякава, М. (1995), «Свистуны», Волланд, Х. (ред.), Справочник по атмосферной электродинамике , том. II, Бока-Ратон, Флорида: CRC Press, стр. 155–193.
- ^ Парк, К.Г. (1982), «Уистлеры», Волланд, Х. (ред.), Справочник CRC по атмосфере , том. II, Бока-Ратон, Флорида: CRC Press, стр. 21–77, ISBN. 0849332273
- ^ Серхан, ГЛ; и др. (1980), «РЧ-спектры первого и последующих возвратных ударов молнии в диапазоне ℓ ≈ 100 км », Radio Science , 15 (108), doi : 10.1029/RS015i006p01089
- ^ Перейти обратно: а б Волланд, Х. (1995), «Распространение длинноволновых сферических частиц в атмосферном волноводе», в Волланд, Х. (ред.), Справочник по атмосферной электродинамике , том. II, Бока-Ратон, Флорида: CRC Press, стр. 65–93.
- ^ Лин, Ю.Т.; и др. (1979). «Характеристика электрических и магнитных полей возвратного удара молнии по результатам одновременных измерений на двух станциях». Дж. Геофиз. Рез . 84 (C10): 6307. Бибкод : 1979JGR....84.6307L . дои : 10.1029/JC084iC10p06307 .
- ^ Вайдман, CD; Крайдер, EP (1979). «Волновые формы поля радиации, возникающие в результате внутриоблачных грозовых разрядов». Дж. Геофиз. Рез . 84 (C6): 3159. Бибкод : 1979JGR....84.3159W . дои : 10.1029/JC084iC06p03159 .
- ^ Перейти обратно: а б Волланд, Х. (1984), Атмосферная электродинамика , Берлин: Springer.
- ^ Подождите, младший (1982), Теория распространения волн , Нью-Йорк: Pergamon Press.
- ^ Харт, В. (1982), «Теория распространения низкочастотных волн», Волланд, Х. (ред.), CRC Handbook of Atmospherics , vol. II, Бока-Ратон, Флорида: CRC Press, стр. 133–202, ISBN. 0849332273
- ^ Полк, К. (1982), «Резонансы Шумана», Волланд, Х. (редактор), Справочник CRC по атмосфере , том. Я, Бока-Ратон, Флорида: CRC Press, стр. 111–178, ISBN. 9780849332265
- ^ Перейти обратно: а б Сентман, Д.Д. (1995), «Резонансы Шумана», Волланд, Х. (ред.), Справочник по атмосферной электродинамике , том. Я, Бока-Ратон, Флорида: CRC Press, стр. 267–295, ISBN. 9780849386473
- ^ Воннегут, Б. (1982), «Физика грозовых облаков», Волланд, Х. (редактор), CRC Handbook of Atmospherics , vol. Я, Бока-Ратон, Флорида: CRC Press, стр. 1–22, ISBN. 9780849332265
- ^ Уильямс, Э.Р. (1995), «Метеорологические аспекты гроз», Волланд, Х. (ред.), Справочник по атмосферной электродинамике , том. Я, Бока-Ратон, Флорида: CRC Press, стр. 27–60, ISBN. 9780849386473
- ^ Грандт, К. (1992), «Мониторинг гроз в Южной Африке и Европе с помощью сферических ОНЧ», J. Geophys. Рез. , 97 (D16): 18215, Bibcode : 1992JGR....9718215G , doi : 10.1029/92JD01623
- ^ Орвилл, Р.Э. (1995), «Обнаружение молний с земли и из космоса», Волланд, Х. (ред.), Справочник по атмосферной электродинамике , том. Я, Бока-Ратон, Флорида: CRC Press, стр. 137–149, ISBN. 9780849386473
- ^ Фрейзер-Смит, AC (1995), «Низкочастотный радиошум», Волланд, Х. (ред.), Справочник по атмосферной электродинамике , том. Я, Бока-Ратон, Флорида: CRC Press, стр. 297–310, ISBN. 9780849386473
- ^ Сполдинг, AD (1995). «Атмосферный шум и его влияние на работу телекоммуникационной системы». В Волланде, Х. (ред.). Справочник по атмосферной электродинамике . Том. И. Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. стр. 359–395. ISBN 9780849386473 .