Атмосферный радиосигнал или сферик (иногда также пишется «сферическим») представляет собой широкополосный электромагнитный импульс , который возникает в результате естественных атмосферных грозовых разрядов. Сферики могут распространяться от своего источника молнии без значительного затухания в волноводе Земля-ионосфера и могут приниматься за тысячи километров от своего источника. На графике во временной области сферика может проявляться как одиночный всплеск большой амплитуды в данных временной области. На спектрограмме сферик выглядит как вертикальная полоса (отражающая его широкополосный и импульсный характер), которая может простираться от нескольких кГц. до нескольких десятков кГц, в зависимости от атмосферных условий.
Частоты сфериков, принимаемых с расстояния около 2000 километров или больше, немного смещены во времени, что приводит к появлению твиков .
Когда электромагнитная энергия от сферика покидает волновод Земля-ионосфера и входит в магнитосферу , она рассеивается околоземной плазмой , образуя свистящий сигнал. Поскольку источником свиста является импульс (т. Е. Сферик), свисток можно интерпретировать как импульсный отклик магнитосферы (для условий в этот конкретный момент).
Вступление
Канал молнии со всеми его ответвлениями и электрическими токами ведет себя как огромная антенная система, из которой излучаются электромагнитные волны всех частот. На расстоянии, где видна 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 (ходы 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 волноводе Земля-ионосфера между поверхностью Земли и ионосферными D- и E-слоями. Свистки, генерируемые ударами молнии, могут распространяться в магнитосферу по геомагнитным силовым линиям. [4] [5] Наконец, верхние атмосферные молнии или спрайты , возникающие на мезосферных высотах, представляют собой кратковременные явления электрического пробоя, вероятно, вызванные гигантскими молниями на земле.
Исходные свойства
Основные параметры хода
При типичном ударе облака по земле (ход R) отрицательный электрический заряд (электроны) порядка Q ≈ 1 Кл, накопленный 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 волнλ = c ⁄ f ≈30 км(гдеc- скорость света). В типичных внутриоблачных К-штрихах положительный электрический заряд порядкаQ ≈10 мКлв верхней части канала и эквивалентное количество отрицательного заряда в его нижней части нейтрализуются в течение типичного временного интервалаτ ≈25 мкс. Соответствующие значения для среднего электрического тока, частоты и длины волныJ ≈400 A, f ≈40 кГциλ ≈7,5 км. Энергия K-ходов обычно на два порядка меньше, чем энергия R-ходов. [7]
Типичную длину грозовых каналов можно оценить примерно как ℓ ≈1/4λ = 8 км для R-ходов и ℓ ≈ 1/2λ = 4 км для К-ходов. Часто между последовательными R-ходами протекает постоянная составляющая тока. [1] Его "импульсное" время обычно составляет примерно 10–150 мс, его электрический ток порядка J ≈ 100 A, что соответствует числам Q ≈ 1–20 C, f ≈ 7–100 Гц и λ ≈ 3–40 мм. Как R-ходы, так и K-ходы создают сферические сигналы, видимые как когерентные импульсные 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, является ли разряд отрицательным или положительным.
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 внутри канала 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 теории электрических цепей , можно принять простую модель линии передачи с конденсатором , в котором сохраняется заряд, сопротивление канала и индуктивность, моделирующие электрические свойства 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, это изображение справедливо только для волнового режима 1 (антенна λ / 4) и, возможно, для режима 2 (антенна λ / 2), потому что эти режимы еще не «чувствуют» искаженную конфигурацию настоящий канал молнии. Моды более высокого порядка вносят вклад в некогерентные зашумленные сигналы в более высоком частотном диапазоне (> 100 кГц).
Передаточная функция волновода Земля – ионосфера.
Сферики можно приблизительно смоделировать с помощью поля электромагнитного 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 поверхность Земли была идеально проводящей. Эффект реальной земли заключается в более сильном ослаблении высоких частот, чем низких частот ( земная волна Зоммерфельда ).
Удары R излучают большую часть своей энергии в диапазоне СНЧ / ОНЧ ( СНЧ = чрезвычайно низкие частоты, <3 кГц; ОНЧ = 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 орографии . В случае ионосферного D-слоя он, кроме того, сложным образом зависит от времени суток, сезона, широты и геомагнитного поля . 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), подходит теория лучей. Земная волна и первая скачкообразная (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 поэтому доминирует на расстояниях, превышающих примерно 1000 км.
Земля-ионосфера волновод является дисперсионной. Его характеристики распространения описываются передаточной функцией T (ρ, f), зависящей главным образом от расстояния ρ и частоты f. В ОНЧ-диапазоне важна только первая мода на расстояниях более 1000 км. 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 как f m ≃ mc / (2π a ) ≃ 7,5 м Гц (при 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 sferics
Во всем мире генерируется около 100 ударов молний в секунду, вызванных грозами, расположенными в основном в континентальных районах низких и средних широт. [15] [16] Чтобы контролировать грозовую активность, подходящим средством являются сферики.
Измерения резонансов Шумана только на нескольких станциях по всему миру позволяют достаточно хорошо отслеживать глобальную грозовую активность. [14] Можно применить дисперсионное свойство волновода Земля-ионосфера , измерив групповую скорость сферического сигнала на разных частотах вместе с направлением его 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 измерять одновременно 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
Отношение сигнал / шум определяет чувствительность и чувствительность телекоммуникационных систем (например, радиоприемников). Аналоговый сигнал должен четко превышать амплитуду шума, чтобы стать обнаруживаемым. Атмосферный шум - один из важнейших 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 КНЧ-диапазоне преобладают технические шумы в диапазоне 50–60 Гц, естественный шум магнитосферы и т. Д. 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, накладывается технический шум 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
- 1955 г. Вспышка торнадо на Великих равнинах.
- Cluster One , трек Pink Floyd с использованием сфериков и утреннего припева в качестве увертюры
Сноски
- ^ Аббревиатура CCIR расшифровывается как Comité Consultatif International des Radiocommunications (Международный консультативный комитет по радиосвязи).
Рекомендации
- ^ a b Умань, Массачусетс (1980), Разряд молнии , Нью-Йорк: Academic Press
- ^ а б Льюис, EA (1982), «Высокочастотный радиошум», в Volland, H. (ed.), CRC Handbook of Atmospherics , I , Boca Raton, Florida: CRC Press , pp. 251–288, ISBN 9780849332265
- ^ а б Proctor, DE (1995), "Радиошум выше 300 кГц из-за естественных причин", Volland, H. (ed.), Handbook of Atmospheric Electrodynamics , I , Boca Raton, Florida: CRC Press, pp. 311–358, ISBN 9780849386473
- ^ Хаякава, М. (1995), «Уистлеры», в Волланде, Х. (ред.), Справочник по атмосферной электродинамике , II , Бока-Ратон, Флорида: CRC Press, стр. 155–193.
- ^ Park, CG (1982), «Whistlers», in Volland, H (ed.), CRC Handbook of Atmospherics , II , Boca Raton, Florida: CRC Press, pp. 21–77, ISBN. 0849332273
- ^ Serhan, GL; и другие. (1980), "Радиочастотный спектры первого и последующих возвратных ударов молнии в л ≈ 100 км диапазона", Радио Наука , 15 (108), DOI : 10.1029 / RS015i006p01089
- ^ а б Волланд, Х. (1995), "Распространение длинноволновых сферических волн в атмосферном волноводе", в Волланде, Х. (ред.), Справочник по атмосферной электродинамике , II , Бока-Ратон, Флорида: CRC Press, стр. 65–93.
- ^ Lin, YT; и другие. (1979). «Определение характеристик электрического и магнитного полей обратного удара молнии по результатам одновременных измерений на двух станциях». J. Geophys. Res . 84 (C10): 6307. Bibcode : 1979JGR .... 84.6307L . DOI : 10.1029 / JC084iC10p06307 .
- ^ Weidman, CD; Кридер, EP (1979). «Формы волн поля излучения, возникающие при внутриоблачных процессах разряда молнии». J. Geophys. Res . 84 (C6): 3159. Bibcode : 1979JGR .... 84.3159W . DOI : 10.1029 / JC084iC06p03159 .
- ^ а б Волланд, Х. (1984), Электродинамика атмосферы , Берлин: Springer
- ^ Подождите, JR (1982), Теория распространения волн , Нью-Йорк: Pergamon Press
- ^ Harth, W. (1982), "Теория распространения низкочастотных волн", Volland, H. (ed.), CRC Handbook of Atmospherics , II , Boca Raton, Florida: CRC Press, pp. 133–202, ISBN 0849332273
- ^ Полк, К. (1982), «Резонансы Шумана», в Volland, H. (ed.), CRC Handbook of Atmospherics , I , Boca Raton, Florida: CRC Press, pp. 111–178, ISBN 9780849332265
- ^ а б Сентман, Д.Д. (1995), "Резонансы Шумана", в Volland, H. (ed.), Handbook of Atmospheric Electrodynamics , I , Boca Raton, Florida: CRC Press, pp. 267–295, ISBN 9780849386473
- ^ Воннегут, Б. (1982), "Физика грозовых облаков", в Волланде, Х (ред.), Справочник по атмосфере CRC , I , Бока-Ратон, Флорида: CRC Press, стр. 1-22, ISBN 9780849332265
- ^ Уильямс, ER (1995), "Метеорологические аспекты гроз", в Volland, H. (ed.), Handbook of Atmospheric Electrodynamics , I , Boca Raton, Florida: CRC Press, pp. 27-60, ISBN 9780849386473
- ^ Grandt, C. (1992), "Мониторинг гроз в Южной Африке и Европе с помощью VLF sferics", J. Geophys. Res. , 97 : 18215, Bibcode : 1992JGR .... 9718215G , DOI : 10,1029 / 92JD01623
- ^ Орвилл, Р. Э. (1995), "Обнаружение молний с земли и из космоса", в Волланде, Х. (ред.), Справочник по атмосферной электродинамике , I , Бока-Ратон, Флорида: CRC Press, стр. 137–149, ISBN 9780849386473
- ^ Райтер, Рейнхольд (1954). Umwelteinflüsse auf die Reaktionszeit des gesunden Menschen . п. 481.
- ^ Фирстенберг, Артур (2017). Невидимая радуга . п. 120.
- ^ Fraser-Smith, AC (1995), «Низкочастотный радиошум», в Volland, H. (ed.), Handbook of Atmospheric Electrodynamics , I , Boca Raton, Florida: CRC Press, pp. 297–310, ISBN 9780849386473
- ^ Сполдинг, AD (1995). «Атмосферный шум и его влияние на работу телекоммуникационных систем». В Волланде, Х. (ред.). Справочник по электродинамике атмосферы . Я . Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. С. 359–395. ISBN 9780849386473.
Внешние ссылки
- http://www.srh.noaa.gov/oun/wxevents/19550525/stormelectricity.php
- Радио в пространстве и времени - Whistler, Sferics and Tweeks , Г. Виссала в RadioUser 1/2013, Великобритания