Радиоатмосферный сигнал
Широкополосный электромагнитный импульс
График зависимости частоты от времени ( спектрограмма ), показывающий несколько сигналов свиста на фоне сферических волн, полученных на станции Палмер в Антарктиде 24 августа 2005 года.

Радиоатмосферный сигнал или сферик (иногда также пишется как «сферический») — это широкополосный электромагнитный импульс, который возникает в результате естественных атмосферных грозовых разрядов. Сферики могут распространяться от источника молнии без значительного затухания в волноводе Земля-ионосфера и могут быть получены за тысячи километров от источника. На графике во временной области сферик может выглядеть как один высокоамплитудный всплеск в данных во временной области. На спектрограмме сферик выглядит как вертикальная полоса (отражающая его широкополосную и импульсную природу), 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, слегка смещены во времени, что приводит к появлению искажений .

Когда электромагнитная энергия сферика покидает волновод Земля-ионосфера и попадает в магнитосферу , она рассеивается околоземной плазмой , образуя сигнал свистка . Поскольку источником свистка является импульс (т. е. сферик), свисток можно интерпретировать как импульсную реакцию магнитосферы (для условий в данный момент).

Введение

Канал молнии со всеми его ответвлениями и электрическими токами ведет себя как огромная антенная система, из которой излучаются электромагнитные волны всех частот. За пределами расстояния, где видно свечение 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 возвратных ударов (R-ударов) или внутриоблачных ударов (K-ударов) являются основными источниками генерации импульсного электромагнитного излучения, известного как сферики (иногда называемого атмосфериками). [1] В то время как это импульсное излучение доминирует на частотах менее 100 кГц (в общих чертах называемых длинными волнами), непрерывный шумовой компонент становится все более важным на более высоких частотах. [2] [3] Длинноволновое электромагнитное распространение сфериков происходит в волноводе Земля-ионосфера между поверхностью Земли и ионосферными слоями D и E. Свистящие звуки, генерируемые ударами молнии, могут распространяться в магнитосферу вдоль геомагнитных силовых линий. [4] [5] Наконец, молнии в верхних слоях атмосферы , или спрайты , которые возникают на мезосферных высотах, представляют собой кратковременные явления электрического пробоя, вероятно, вызванные гигантскими молниями на земле.

Свойства источника

Основные параметры хода

В типичном ударе от облака к земле (удар R) отрицательный электрический заряд (электроны) порядка Q ≈ 1 Кл, хранящийся 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 ⁄ 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 в течение типичного временного интервала τ ≈ 25 мкс. Соответствующие значения для среднего электрического тока, частоты и длины волны составляют J ≈ 400 А, f ≈ 40 кГц и λ ≈ 7,5 км. Энергия К-ударов в целом на два порядка слабее энергии R-ударов. [7]

Типичную длину каналов молнии можно оценить примерно как ℓ ≈ ⁠1/4⁠ λ = 8 кмдля R-ходов и ℓ ≈ ⁠1/2⁠ λ = 4 кмдля K-ударов. Часто непрерывный компонент тока течет между последовательными R-ударами.[1]Его время «импульса» обычно варьируется между примерно10–150 мс,его электрический ток имеет порядок J ≈ 100 А,что соответствует числам Q ≈ 1–20 Кл, f ≈ 7–100 Гци λ ≈ 3–40 Мм.Как R-удар, так и K-удар создают сферики, рассматриваемые как когерентная импульсная волна 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]Ориентация увеличения напряженности поля зависит от того, является ли это отрицательным или положительным разрядом

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, доминирующая длина волны электромагнитных волн R- и K-разрядов намного больше длины их каналов. Таким образом, физика распространения электромагнитных волн внутри канала должна быть выведена из теории полной волны, поскольку концепция луча нарушается.

Электрический канал тока

Канал R-штриха можно рассматривать как тонкий изолированный провод длиной L и диаметром d, в котором хранится отрицательный электрический заряд. С точки зрения теории электрических цепей можно принять простую модель линии передачи с конденсатором , где хранится заряд, сопротивлением канала и индуктивностью, имитирующей электрические свойства канала. [10] В момент контакта с идеально проводящей поверхностью Земли заряд опускается на землю. Для того чтобы выполнить граничные условия в верхней части провода (нулевой электрический ток) и на земле (нулевое электрическое напряжение), могут существовать 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 K-штриха нижняя граница совпадает с верхней границей. [7] [10] Конечно, эта картина верна только для волновой моды 1 (антенна λ/4) и, возможно, для моды 2 (антенна λ/2), поскольку эти моды еще не «чувствуют» искаженную конфигурацию реального канала молнии. Моды более высокого порядка вносят вклад в некогерентные шумовые сигналы в диапазоне более высоких частот (> 100 кГц).

Передаточная функция волновода Земля–ионосфера

Сферики можно приблизительно смоделировать с помощью электромагнитного поля излучения вертикальной дипольной антенны Герца . Максимальная спектральная амплитуда сферика обычно составляет около 5 кГц. За пределами этого максимума спектральная амплитуда уменьшается как 1/f, если бы поверхность Земли была идеально проводящей. Эффект реальной земли заключается в том, что она сильнее ослабляет высокие частоты, чем низкие частоты ( земная волна Зоммерфельда ).

R-удар излучает 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 ионосферном слое D, около 70 км высоты в дневное время и около 90 км высоты ночью. Отражение и затухание на земле зависят от частоты, расстояния и орографии . В случае ионосферного слоя D, это зависит, кроме того, от времени суток, сезона, широты и геомагнитного поля сложным образом. Распространение VLF в волноводе Земля-ионосфера можно описать с помощью лучевой теории и волновой теории. [11] [12]

Когда расстояния меньше 500 км (в зависимости от частоты), то применима лучевая теория. Земная волна и первая волна прыжка (или небесная) отражаются в ионосферном слое D, интерферируя друг с другом.

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

Волновод Земля–ионосфера является дисперсионным. Его характеристики распространения описываются передаточной функцией T(ρ, f), зависящей в основном от расстояния ρ и частоты f. В диапазоне ОНЧ только первая мода важна на расстояниях более примерно 1000 км. Наименьшее затухание этой моды происходит примерно на 15 кГц. Поэтому волновод Земля–ионосфера ведет себя как полосовой фильтр, выделяя эту полосу из широкополосного сигнала. Сигнал 15 кГц доминирует на расстояниях более примерно 5000 км. Для волн ELF (< 3 кГц) лучевая теория становится недействительной, и подходит только модовая теория. Здесь начинает доминировать нулевая мода, которая отвечает за второе окно на больших расстояниях.

Резонансные волны этой нулевой моды могут возбуждаться в волноводной полости Земля-ионосфера, в основном, постоянными компонентами тока молнии, протекающими между двумя обратными ударами. Их длины волн являются целыми долями окружности Земли, и их резонансные частоты могут быть, таким образом, приблизительно определены как f m  ≃  mc /(2π a ) ≃ 7,5  м  Гц (где m = 1, 2, ...; a радиус Земли и c 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

Около 100 ударов молний в секунду генерируются во всем мире, возбуждаемые грозами, расположенными в основном в континентальных районах низких и средних широт. [15] [16] Для мониторинга грозовой активности сферики являются подходящим средством.

Измерения резонансов Шумана всего на нескольких станциях по всему миру могут достаточно хорошо контролировать глобальную грозовую активность. [14] Можно применить дисперсионное свойство волновода Земля-ионосфера, измеряя групповую скорость сферического сигнала на разных частотах вместе с направлением его прибытия. Разница группового времени задержки соседних частот в нижнем диапазоне ОНЧ прямо пропорциональна расстоянию до источника. Поскольку затухание ОНЧ-волн меньше при распространении с запада на восток и ночью, грозовая активность на расстоянии до 10 000 км может наблюдаться для сигналов, приходящих с запада в ночных условиях. В противном случае дальность передачи составляет порядка 5 000 км. [17]

Для регионального диапазона (< 1000 км) обычным способом является магнитная пеленгация, а также измерения времени прибытия сферического сигнала, наблюдаемого одновременно на нескольких станциях. [18] Предположением таких измерений является концентрация на одном индивидуальном импульсе. Если одновременно измерять несколько импульсов, то интерференция происходит с частотой биений, равной обратному среднему времени последовательности импульсов.

Атмосферный шум

Отношение сигнал /шум определяет чувствительность и восприимчивость телекоммуникационных систем (например, радиоприемников). Аналоговый сигнал должен явно превышать амплитуду шума, чтобы стать обнаруживаемым. Атмосферный шум является одним из важнейших источников ограничения обнаружения радиосигналов.

Стационарные электрические разрядные токи в канале молнии вызывают ряд некогерентных импульсов во всем диапазоне частот, амплитуды которых уменьшаются примерно с обратной частотой. В ELF-диапазоне доминируют технические шумы от 50 до 60 Гц, естественный шум от магнитосферы и т. д. В VLF-диапазоне присутствуют когерентные импульсы от R- и K-разрядов, выделяющиеся из фонового шума. [19] За пределами примерно 100 кГц амплитуда шума становится все более некогерентной. Кроме того, накладываются технические шумы от электродвигателей, систем зажигания автомобилей и т. д. Наконец, за пределами высокочастотного диапазона (3–30 МГц) доминируют внеземные шумы (шумы галактического происхождения, солнечные шумы). [2] [3]

Атмосферный шум зависит от частоты, местоположения и времени суток и года. Глобальные измерения этого шума документируются в отчетах CCIR. [a] [20]

Смотрите также

Сноски

  1. ^ Аббревиатура CCIR расшифровывается как Comité Consultatif International des Radiocommunication (Международный консультативный комитет по радиосвязи).

Ссылки

  1. ^ ab Uman, MA (1980), Разряд молнии , Нью-Йорк: Academic Press
  2. ^ Льюис, EA (1982), «Высокочастотный радиошум», в Volland, H. (ред.), CRC Handbook of Atmospherics , т. I, Бока-Ратон, Флорида: CRC Press , стр.  251–288 , ISBN 9780849332265
  3. ^ ab Proctor, DE (1995), «Радиошум выше 300 кГц из-за естественных причин», в Volland, H. (ред.), Handbook of Atmospheric Electrodynamics , т. I, Boca Raton, Florida: CRC Press, стр.  311–358 , ISBN 9780849386473
  4. ^ Хаякава, М. (1995), «Свистуны», в Volland , H. (ред.), Handbook of Atmospheric Electrodynamics , т. II, Бока-Ратон, Флорида: CRC Press, стр.  155–193
  5. ↑ Park, CG (1982), «Свистуны», в Volland, H (ред.), CRC Handbook of Atmospherics , т. II, Бока-Ратон, Флорида: CRC Press, стр.  21–77 , ISBN 0849332273
  6. ^ Серхан, Г. Л. и др. (1980), «Радиочастотные спектры первых и последующих возвратных ударов молнии в диапазоне ℓ ≈ 100 км », Radio Science , 15 (108), doi :10.1029/RS015i006p01089
  7. ^ ab Volland, H. (1995), «Распространение длинноволновых сферических волн в атмосферном волноводе», в Volland, H. (ред.), Handbook of Atmospheric Electrodynamics , т. II, Бока-Ратон, Флорида: CRC Press, стр.  65–93
  8. ^ Лин, YT; и др. (1979). «Характеристика электрических и магнитных полей возвратного удара молнии по результатам одновременных измерений на двух станциях». J. Geophys. Res . 84 (C10): 6307. Bibcode : 1979JGR....84.6307L. doi : 10.1029/JC084iC10p06307.
  9. ^ Weidman, CD; Krider, EP (1979). "Формы волновых полей излучения, создаваемые процессами внутриоблачных молниевых разрядов". J. Geophys. Res . 84 (C6): 3159. Bibcode : 1979JGR....84.3159W. doi : 10.1029/JC084iC06p03159.
  10. ^ ab Volland, H. (1984), Атмосферная электродинамика , Берлин: Springer
  11. ^ Уэйт, Дж. Р. (1982), Теория распространения волн , Нью-Йорк: Pergamon Press
  12. ^ Харт, В. (1982), «Теория распространения низкочастотных волн», в Volland, H. (ред.), CRC Handbook of Atmospherics , т. II, Бока-Ратон, Флорида: CRC Press, стр.  133–202 , ISBN 0849332273
  13. ^ Полк, К. (1982), «Резонансы Шумана», в Volland, H. (ред.), CRC Handbook of Atmospherics , т. I, Бока-Ратон, Флорида: CRC Press, стр.  111–178 , ISBN 9780849332265
  14. ^ ab Sentman, DD (1995), "Резонансы Шумана", в Volland, H. (ред.), Handbook of Atmospheric Electrodynamics , т. I, Boca Raton, Florida: CRC Press, стр.  267–295 , ISBN 9780849386473
  15. ↑ Воннегут, Б. (1982), «Физика грозовых облаков», в Volland, H (ред.), CRC Handbook of Atmospherics , т. I, Бока-Ратон, Флорида: CRC Press, стр.  1–22 , ISBN 9780849332265
  16. ^ Уильямс, Э. Р. (1995), «Метеорологические аспекты гроз», в Volland, H. (ред.), Handbook of Atmospheric Electrodynamics , т. I, Бока-Ратон, Флорида: CRC Press, стр.  27–60 , ISBN 9780849386473
  17. ^ Грандт, К. (1992), "Мониторинг гроз в Южной Африке и Европе с помощью ОНЧ-сфериков", J. Geophys. Res. , 97 (D16): 18215, Bibcode : 1992JGR....9718215G, doi : 10.1029/92JD01623
  18. ^ Орвилл, Р. Э. (1995), «Обнаружение молний с земли и из космоса», в Volland, H. (ред.), Handbook of Atmospheric Electrodynamics , т. I, Бока-Ратон, Флорида: CRC Press, стр.  137–149 , ISBN 9780849386473
  19. ^ Фрейзер-Смит, AC (1995), «Низкочастотный радиошум», в Volland, H. (ред.), Handbook of Atmospheric Electrodynamics , т. I, Бока-Ратон, Флорида: CRC Press, стр.  297–310 , ISBN 9780849386473
  20. ^ Сполдинг, А.Д. (1995). «Атмосферный шум и его влияние на производительность телекоммуникационной системы». В Volland, H. (ред.). Справочник по атмосферной электродинамике . Том I. Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. стр.  359–395 . ISBN 9780849386473.
  • http://www.srh.noaa.gov/oun/wxevents/19550525/stormelectricity.php
  • Радио в пространстве и времени - Уистлер, Сферикс и Твикс, Г.Виссала в RadioUser 1/2013, Великобритания
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Радиоатмосферный_сигнал&oldid=1188953916"