Radioatmosfærisk - Radio atmospheric
Et radioatmosfærisk signal eller sferisk (noen ganger også stavet "sfærisk") er en bredbånds elektromagnetisk impuls som oppstår som et resultat av naturlige atmosfæriske lynutladninger . Sferics kan forplante seg fra lynkilden uten større demping i jord – ionosfæren bølgeleder , og kan mottas tusenvis av kilometer fra kilden. På et tidsdomene-plott kan en sferikk vises som en topp med høy amplitude i tidsdomenedataene. På et spektrogram vises en sferikk som en vertikal stripe (som gjenspeiler bredbånd og impulsiv natur) som kan strekke seg fra noen få kHz til flere titalls kHz, avhengig av atmosfæriske forhold.
Sferikk mottatt fra rundt 2000 kilometer avstand eller mer har frekvensen litt forskjøvet i tid, og produserer tweeks .
Når den elektromagnetiske energi fra en sferic unnslipper jord ionosfæren bølgeleder og kommer inn i magneto , blir det dispergert ved nær Jorden plasma , danner et Whistler signal. Fordi kilden til whistler er en impuls (dvs. sferic), kan en whistler tolkes som impulsresponsen til magnetosfæren (for forholdene akkurat det øyeblikket).
Introduksjon
En lynkanal med alle grenene og dens elektriske strømmer oppfører seg som et enormt antennesystem hvorfra elektromagnetiske bølger av alle frekvenser utstråles. Utover en avstand der lysstyrken er synlig og torden kan høres (vanligvis ca. 10 km), er disse elektromagnetiske impulsene de eneste kildene til direkte informasjon om tordenværsaktivitet på bakken. Transienter elektriske strømmer under returslag (R-slag) eller intrakloud-slag (K-slag) er hovedkildene for generering av impuls-type elektromagnetisk stråling kjent som sferikk (noen ganger kalt atmosfære). Mens denne impulsive strålingen dominerer ved frekvenser mindre enn omtrent 100 kHz, (løst kalt lange bølger), blir en kontinuerlig støykomponent stadig viktigere ved høyere frekvenser. Den langbølgede elektromagnetiske forplantningen av sferikk foregår i jord-ionosfærens bølgeleder mellom jordoverflaten og det ionosfæriske D- og E-laget. Whistlers generert av lynnedslag kan forplante seg inn i magnetosfæren langs de geomagnetiske kraftlinjene. Endelig er øvre atmosfæriske lyn eller sprites , som forekommer i mesosfæriske høyder, kortvarige elektriske sammenbruddfenomener, sannsynligvis generert av gigantiske lynhendelser på bakken.
Kildegenskaper
Grunnleggende slagparametere
I et typisk sky-til-bakkeslag (R-slag) senkes negativ elektrisk ladning (elektroner) i størrelsesorden Q ≈ 1 C lagret i lynkanalen til bakken innen et typisk impuls-tidsintervall på τ = 100 μs. Dette tilsvarer en gjennomsnittlig strøm som strømmer innenfor kanalen i størrelsesorden J ≈ Q ⁄ τ = 10 kA. Maksimal spektral energi genereres nær frekvenser på f ≈ 1 ⁄ τ = 10 kHz, eller ved bølgelengder på λ = c ⁄ f ≈ 30 km (hvor c er lysets hastighet). I typiske int-høye K-slag, nøytraliserer positiv elektrisk ladning i størrelsesorden Q ≈ 10 mC i den øvre delen av kanalen og en ekvivalent mengde negativ ladning i den nedre delen innen et typisk tidsintervall på τ ≈ 25 μs. De tilsvarende verdiene for gjennomsnittlig elektrisk strøm, frekvens og bølgelengde er J ≈ 400 A, f ≈ 40 kHz, og λ ≈ 7,5 km. Energien til K-slag er generelt to størrelsesordener svakere enn energien til R-slag.
Den typiske lengden på lynkanaler kan estimeres til å være i størrelsesorden ℓ ≈ 1/4λ = 8 km for R-slag og ℓ ≈1/2λ = 4 km for K-slag. Ofte flyter en kontinuerlig strømkomponent mellom suksessive R-slag. Dens "puls" -tid varierer vanligvis mellom 10–150 ms, den elektriske strømmen er i størrelsesorden J ≈ 100 A, tilsvarende tallene Q ≈ 1–20 C, f ≈ 7–100 Hz og λ ≈ 3– 40 Mm. Både R-slag og K-slag produserer sferikk sett på som en sammenhengende impulsbølgeform i en bredbåndsmottaker innstilt mellom 1–100 kHz. Impulsens elektriske feltstyrke øker til en maksimal verdi innen få mikrosekunder og avtar deretter som en dempet oscillator. Orienteringen av feltstyrkeøkningen avhenger av om det er en negativ eller en positiv utladning
Den synlige delen av en lynkanal har en typisk lengde på omtrent 5 km. En annen del av sammenlignbar lengde kan være skjult i skyen og kan ha en betydelig horisontal gren. Åpenbart er den dominerende bølgelengden til de elektromagnetiske bølgene av R- og K-slag mye større enn deres kanallengder. Fysikken til elektromagnetisk bølgeutbredelse i kanalen må altså stamme fra fullbølgeteori, fordi strålekonseptet brytes sammen.
Elektrisk kanalstrøm
Kanalen til et R-slag kan betraktes som en tynn isolert ledning med lengde L og diameter d der negativ elektrisk ladning er lagret. Når det gjelder elektrisk kretsteori , kan man vedta en enkel overføringslinjemodell med en kondensator , der ladningen er lagret, en motstand fra kanalen og en induktans som simulerer kanalens elektriske egenskaper. I øyeblikket av kontakt med den perfekt ledende jordoverflaten, senkes ladningen til bakken. For å oppfylle grensebetingelsene på toppen av ledningen (null elektrisk strøm) og på bakken (null elektrisk spenning), kan bare stående resonansbølgemodi gå ut. Den grunnleggende modusen som transporterer elektrisk ladning til bakken mest effektivt, har således en bølgelengde λ fire ganger kanallengden L. I tilfelle av K-slag er den nedre grensen den samme som den øvre grensen. Selvfølgelig er dette bildet bare gyldig for bølgemodus 1 (λ / 4 antenne) og kanskje for modus 2 (λ / 2 antenne), fordi disse modusene ennå ikke "føler" den forvrengte konfigurasjonen av den virkelige lynkanalen. Modusene med høyere ordre bidrar til de usammenhengende støyende signalene i det høyere frekvensområdet (> 100 kHz).
Overføringsfunksjon for jord – ionosfæren bølgeleder
Sferikk kan simuleres omtrent med det elektromagnetiske strålingsfeltet til en vertikal hertzisk dipolantenne . Den maksimale spektrale amplituden til sferikken er vanligvis nær 5 kHz. Utover dette maksimum reduseres spektralamplituden som 1 / f hvis jordoverflaten ledet perfekt. Effekten av den virkelige bakken er å dempe de høyere frekvensene sterkere enn de lavere frekvensene ( Sommerfelds bakken).
R-strøk avgir mesteparten av energien innenfor ELF / VLF-området ( ELF = ekstremt lave frekvenser, <3 kHz; VLF = svært lave frekvenser, 3–30 kHz). Disse bølgene reflekteres og dempes på bakken så vel som innenfor det ionosfæriske D-laget, nær 70 km høyde under dagtid, og nær 90 km høyde om natten. Refleksjon og demping på bakken avhenger av frekvens, avstand og orografi . Når det gjelder det ionosfæriske D-laget, avhenger det i tillegg av tid på dagen, årstid, breddegrad og det geomagnetiske feltet på en komplisert måte. VLF-forplantning i jord – ionosfæren bølgeleder kan beskrives av stråle teori og bølgeteori.
Når avstander er mindre enn 500 km (avhengig av frekvens), er stråleteori passende. Bakken og den første humlebølgen (eller himmelen) som reflekteres ved det ionosfæriske D-laget forstyrrer hverandre.
På avstander som er større enn 500 km, må himmelbølger som reflekteres flere ganger på ionosfæren legges til. Derfor er modusteori her mer passende. Den første modusen dempes minst innenfor jord – ionosfærens bølgeleder, og dominerer dermed på avstander større enn ca 1000 km.
Den Earth-ionosfæren waveguide er spredt. Dens forplantningsegenskaper er beskrevet av en overføringsfunksjon T (ρ, f), avhengig hovedsakelig av avstand ρ og frekvens f. I VLF-rekkevidden er bare modus en viktig på avstander større enn ca. 1000 km. Den minste dempningen av denne modusen skjer ved omtrent 15 kHz. Derfor oppfører jord-ionosfæren bølgelederen seg som et båndpassfilter, og velger dette båndet ut av et bredbåndssignal. 15 kHz signalet dominerer på avstander større enn ca 5000 km. For ELF-bølger (<3 kHz) blir stråleteori ugyldig, og bare modusteori er passende. Her begynner nullmodus å dominere og er ansvarlig for det andre vinduet på større avstander.
Resonansbølger i denne nullmodusen kan eksiteres i jord – ionosfærens bølgelederhulrom, hovedsakelig av de kontinuerlige strømkomponentene av lyn som flyter mellom to returslag. Deres bølgelengder er integrerte brøkdeler av jordens omkrets, og deres resonansfrekvenser kan således bestemmes omtrent ved f m ≃ mc / (2π a ) ≃ 7,5 m Hz (med m = 1, 2, ...; a Jordens radius og c lysets hastighet). Disse resonansmodusene med deres grunnleggende frekvens på f 1 ≃ 7,5 Hz er kjent som Schumann-resonanser .
Overvåker tordenværsaktivitet med sferics
Cirka 100 lynnedslag per sekund genereres over hele verden begeistret av tordenvær som hovedsakelig befinner seg i de kontinentale områdene på lave og midtre breddegrader. For å overvåke tordenværsaktiviteten er sferikk det riktige middelet.
Målinger av Schumann-resonanser på bare noen få stasjoner rundt om i verden kan overvåke den globale lynaktiviteten ganske bra. Man kan anvende den spredende egenskap ved jord ionosfæren bølgeleder ved å måle gruppehastigheten av et sferic signal ved forskjellige frekvenser sammen med dens ankomstretningen. Gruppens tidsforsinkelsesforskjell for nabofrekvensene i det nedre VLF-båndet er direkte proporsjonal med kildeavstanden. Siden demping av VLF-bølger er mindre for vest til øst forplantning og om natten, kan tordenværsaktivitet opp til avstander på ca 10.000 km observeres for signaler som kommer fra vest under nattforhold. Ellers er overføringsområdet i størrelsesorden 5000 km.
For det regionale området (<1000 km), er den vanlige måten å finne magnetisk retningsmåling samt måling av ankomsttid av et sferisk signal observert samtidig på flere stasjoner. Antagelse om slike målinger er konsentrasjonen på en individuell impuls. Hvis man måler flere pulser samtidig, finner interferens sted med en slagfrekvens lik den omvendte gjennomsnittlige sekvenstiden for pulsen.
Atmosfærisk støy
Det signal-til-støy-forholdet bestemmer følsomhet og følsomheten til telekommunikasjonssystemer (for eksempel radio-mottakere). Et analogt signal må klart overstige støyamplituden for å bli detekterbar. Atmosfærisk støy er en av de viktigste kildene for begrensning av deteksjon av radiosignaler.
De jevne elektriske utladningsstrømmene i en lynkanal forårsaker en rekke usammenhengende impulser i hele frekvensområdet, hvis amplituder avtar omtrent med den inverse frekvensen. I ELF-området dominerer teknisk støy fra 50–60 Hz, naturlig støy fra magnetosfæren osv. I VLF-området er det sammenhengende impulser fra R- og K-slag, som kommer ut av bakgrunnsstøyen. Utover omtrent 100 kHz blir støyamplituden mer og mer usammenhengende. I tillegg legges teknisk støy fra elektriske motorer, tenningssystemer fra biler osv. Til slutt dominerer utenfor høyfrekvensbåndet (3–30 MHz) utenomjordisk støy (støy av galaktisk opprinnelse, solstøy).
Den atmosfæriske støyen avhenger av frekvens, plassering og tid på dagen og året. Verdensomspennende målinger av den støyen er dokumentert i CCIR-rapporter.
Se også
- 1955 Great Plains tornadoutbrudd
- Cluster One , et Pink Floyd- spor som bruker sferikk og soloppgang som en overture
Fotnoter