Radio atmosfera - Radio atmospheric

Vaqt chizig'iga nisbatan chastota (spektrogram ) bir nechtasini ko'rsatmoqda hushtak qabul qilingan sferiklar fonida signallar Palmer stantsiyasi, Antarktida 2005 yil 24 avgustda.

A radio atmosfera signali yoki sferik (ba'zan "sharsimon" deb ham yozilgan) a keng polosali elektromagnit tabiiy atmosfera natijasida paydo bo'ladigan impuls chaqmoq chiqindilar. Sferiklar chaqmoq manbaidan asosiysiz tarqalishi mumkin susayish ichida Yer-ionosfera to'lqinlari qo'llanmasi va ularni manbasidan minglab kilometr uzoqlikda qabul qilish mumkin. Vaqt-domen uchastkasida sferik vaqt-domen ma'lumotlarida bitta yuqori amplituda boshoq bo'lib ko'rinishi mumkin. A spektrogram, sferik vertikal chiziq bo'lib ko'rinadi (uning keng polosali va impulsiv xususiyatini aks ettiradi), ular bir nechta kHz atmosfera sharoitiga qarab bir necha o'n kHz gacha.

Sferiklar taxminan olingan 2000 kilometr ' masofa yoki undan kattaroq ularning chastotalari vaqt o'tishi bilan biroz siljiydi va hosil bo'ladi tweeks.

Sferikdan chiqqan elektromagnit energiya Yer-ionosferadan qochib ketganda to'lqin qo'llanmasi va ga kiradi magnitosfera, bo'ladi tarqaldi Yerga yaqin plazma, shakllantirish a hushtak signal. Hushtakning manbai impuls (ya'ni, sferik) bo'lganligi sababli, hushtak chaluvchisi sifatida talqin qilinishi mumkin impulsli javob magnitosfera (shu lahzadagi sharoit uchun).

Kirish

A chaqmoq kanal barcha tarmoqlari va elektr toklari bilan o'zini barcha chastotalardagi elektromagnit to'lqinlar tarqaladigan ulkan antenna tizimi kabi tutadi. Yorug'lik ko'rinadigan va momaqaldiroq eshitiladigan masofadan tashqari (odatda taxminan 10 km), ushbu elektromagnit impulslar erdagi momaqaldiroq faoliyati to'g'risida to'g'ridan-to'g'ri ma'lumot manbai hisoblanadi. Qaytish zarbalari (R zarbalari) yoki buloq ichidagi zarbalar (K zarbalari) paytida o'tuvchi elektr toklari impuls tipidagi elektromagnit nurlanishni hosil qilishning asosiy manbalari bo'lib, ular sferika (ba'zan atmosfera deb ham ataladi) deb nomlanadi.[1] Ushbu impulsiv nurlanish taxminan 100 kHz dan kam chastotalarda hukmronlik qilar ekan, (uzoq to'lqinlar deb erkin nomlanadi), doimiy shovqin komponenti yuqori chastotalarda tobora muhim ahamiyat kasb etadi.[2][3] Sferiklarning uzun to'lqinli elektromagnit tarqalishi ichida sodir bo'ladi Yer-ionosfera to'lqinlari qo'llanmasi Yer yuzasi bilan ionosfera D va E qatlamlari. Hushtaklar chaqmoq urishi natijasida hosil bo'lgan magnitosfera bo'ylab geomagnitik kuch chiziqlari.[4][5] Nihoyat, yuqori atmosfera chaqmoqlari yoki spritlar, mezosfera balandliklarida sodir bo'ladigan, bu erdagi ulkan chaqmoq hodisalari natijasida hosil bo'lgan qisqa muddatli elektr buzilish hodisalari.

Manba xususiyatlari

Qon tomirlarining asosiy parametrlari

Oddiy bulutdan erga urishda (R zarbasi), manfiy elektr zaryadi (elektronlar) tartibi Q ≈ 1 S yashin kanalida saqlanadigan odatiy impuls vaqt oralig'ida erga tushiriladi b = 100 miks. Bu kanal tartibida ketadigan o'rtacha oqimga to'g'ri keladi J ≈Q⁄τ = 10 kA. Maksimal spektral energiya chastotalar yaqinida hosil bo'ladi f ≈1⁄τ = 10 kHz,[6] yoki to'lqin uzunliklarida b =v⁄f ≈ 30 km (qayerda v yorug'lik tezligi). Odatdagi intrakloud K zarbalarida, tartibining musbat elektr zaryadi Q ≈ 10 mC kanalning yuqori qismida va uning pastki qismidagi unga teng miqdordagi salbiy zaryad odatdagi vaqt oralig'ida neytrallashadi τ ≈ 25 mikron. O'rtacha elektr toki, chastota va to'lqin uzunligi uchun mos qiymatlar J ≈ 400 A, f ≈ 40 kHz, va λ ≈ 7,5 km. K-zarbalarning energiyasi, umuman olganda, R-zarbalarning energiyasidan kattalikning ikki tartibida kuchsizroqdir.[7]

Chaqmoq kanallarining odatiy uzunligini tartibda deb taxmin qilish mumkin ℓ ≈ 1/4b = 8 km zarbalar uchun va ℓ ≈ 1/2b = 4 km zarbalar uchun. Ko'pincha, davom etayotgan oqim komponenti ketma-ket R zarbalari orasida oqadi.[1] Uning "puls" vaqti odatda taxminan o'zgarib turadi 10-150 milodiy, uning elektr toki quyidagicha tartibda J ≈ 100 A, raqamlariga mos keladigan Q ≈ 1–20 C, f ≈ 7-100 Hz va λ ≈ 3-40 mm. Ikkala R va K zarbalari ham 1-100 kHz gacha sozlangan keng polosali qabul qilgich ichidagi izchil to'lqin shakli sifatida ko'rilgan sferiklarni hosil qiladi. Impulsning elektr maydon kuchlanishi bir necha mikrosaniyadagi maksimal qiymatga ko'tariladi va keyin namlangan osilator kabi pasayadi.[8][9] Maydon kuchini oshirish yo'nalishi uning salbiy yoki musbat razryad bo'lishiga bog'liq

Chaqmoq kanalining ko'rinadigan qismi odatda 5 km uzunlikka ega. Taqqoslash mumkin bo'lgan uzunlikning yana bir qismi bulutda yashirin bo'lishi mumkin va muhim gorizontal novdaga ega bo'lishi mumkin. Ko'rinib turibdiki, R va K zarbalarining elektromagnit to'lqinlarining ustun to'lqin uzunligi ularning kanal uzunliklaridan ancha katta. Kanal ichidagi elektromagnit to'lqinlarning tarqalish fizikasi to'la to'lqin nazariyasidan kelib chiqishi kerak, chunki nur tushunchasi buziladi.

Elektr kanal oqimi

R zarbasi kanali salbiy elektr zaryadi saqlanib qolgan L va diametr d uzunlikdagi yupqa izolyatsiya qilingan sim deb qaralishi mumkin. Xususida elektr davri nazariyani, oddiy narsani qabul qilish mumkin uzatish liniyasi bilan model kondansatör, zaryad saqlanadigan joyda, a qarshilik kanalning va an induktivlik kanalning elektr xususiyatlarini simulyatsiya qilish.[10] Zo'r o'tkazuvchan Yer yuzasi bilan aloqa qilish vaqtida zaryad erga tushiriladi. Telning yuqori qismida (nol elektr oqimi) va erdagi (nol elektr quvvati) chegara shartlarini bajarish uchun faqat tik turgan rezonansli to'lqinlar rejimlari chiqishi mumkin. Elektr zaryadini erga eng samarali ravishda etkazib beradigan asosiy rejim to'lqin uzunligini λ kanal uzunligidan to'rt baravar ko'p L ga ega, K zarbasi holatida pastki chegara yuqori chegara bilan bir xil bo'ladi.[7][10] Albatta, bu rasm faqat to'lqin rejimi 1 (λ / 4 antenna) uchun va ehtimol 2 (mode / 2 antenna) rejimi uchun amal qiladi, chunki bu rejimlar haqiqiy chaqmoq kanalining ziddiyatli konfiguratsiyasini hali "sezmayapti". Yuqori tartibli rejimlar yuqori chastota diapazonidagi (> 100 kHz) mos kelmaydigan shovqinli signallarga yordam beradi.

Yer-ionosfera to'lqin qo'llanmasining uzatish funktsiyasi

Sferika vertikalning elektromagnit nurlanish maydoni tomonidan taqlid qilinishi mumkin Hertzian dipolli antenna. Sferikning maksimal spektral amplitudasi odatda 5 kHz ga yaqin. Ushbu maksimal darajadan tashqari, agar Yer yuzasi mukammal o'tkazuvchan bo'lsa, spektral amplituda 1 / f ga kamayadi. Haqiqiy zaminning ta'siri yuqori chastotalarni pastki chastotalarga qaraganda kuchliroq yumshatishdir (Sommerfeld to'lqin).

R zarbalari energiyasining katta qismini ELF / VLF oralig'ida chiqaradi (ELF = juda past chastotalar, <3 kHz; VLF = juda past chastotalar, 3-30 kHz). Ushbu to'lqinlar kunduzgi sharoitda 70 km balandlikda, kechasi esa 90 km balandlikda, shuningdek ionosfera D qatlami ichida aks etadi va susayadi. Erdagi aks ettirish va susayish chastotaga, masofaga va orografiya. Ionosfera qatlami holatida, bu qo'shimcha ravishda kun, fasl, kenglik va geomagnit maydon murakkab usulda. Ichida VLF tarqalishi Yer-ionosfera to'lqinlari qo'llanmasi nurlar nazariyasi va to'lqinlar nazariyasi bilan tavsiflanishi mumkin.[11][12]

Masofalar taxminan 500 km dan kam bo'lsa (chastotaga qarab), unda nur nazariyasi mos keladi. Ionosfera D qatlamida aks etgan er to'lqini va birinchi sakrash (yoki osmon) to'lqini bir-biriga xalaqit beradi.

Taxminan 500 km dan ortiq masofada ionosferada bir necha marta aks etgan osmon to'lqinlari qo'shilishi kerak. Shuning uchun rejim nazariyasi bu erda ko'proq mos keladi. Birinchi rejim Yer-ionosfera to'lqinlari qo'llanmasida eng kam susayadi va shuning uchun taxminan 1000 km dan oshiq masofada hukmronlik qiladi.

The Yer-ionosfera to'lqinlari qo'llanmasi tarqalgan. Uning tarqalish xususiyatlari a tomonidan tavsiflanadi uzatish funktsiyasi T (r, f) asosan r masofaga va f chastotaga bog'liq. VLF diapazonida taxminan 1000 km dan katta masofalarda faqat bitta rejim muhim ahamiyatga ega. Ushbu rejimning eng past susayishi taxminan 15 kHz da sodir bo'ladi. Shu sababli, Yer-ionosfera to'lqin qo'llanmasi keng polosali signal ichidan ushbu diapazonni tanlab, o'tkazuvchanlik filtri kabi harakat qiladi. 15 kHz signal 5000 km dan ortiq masofada ustunlik qiladi. ELF to'lqinlari uchun (<3 kHz) nurlanish nazariyasi bekor bo'ladi va faqat rejim nazariyasi mos keladi. Bu erda nol holati ustunlik qila boshlaydi va uzoqroq masofadagi ikkinchi oyna uchun javobgardir.

Ushbu nol rejimining rezonansli to'lqinlari Yer-ionosfera to'lqinlari qo'llanmasining bo'shlig'ida, asosan, ikki qaytarish zarbasi o'rtasida oqadigan chaqmoqning davom etayotgan oqim qismlari orqali qo'zg'alishi mumkin. Ularning to'lqin uzunliklari Yer atrofining ajralmas fraktsiyalari bo'lib, rezonans chastotalarini taxminan shunday aniqlash mumkin fm ≃ mc/ (2πa) ≃ 7.5 m Hz (bilan m = 1, 2, ...; a Yer radiusi va v yorug'lik tezligi). Ushbu rezonans rejimlar ularning asosiy chastotasi bilan f1 .5 7,5 Hz sifatida ma'lum Shumann rezonanslari.[13][14]

Sferiklar bilan momaqaldiroq faolligini kuzatish

Dunyo bo'ylab sekundiga 100 ga yaqin chaqmoq chaqishi hayajonlanadi momaqaldiroq asosan kontinental hududlarda past va o'rta kengliklarda joylashgan.[15][16] Momaqaldiroq faolligini kuzatish uchun sferiklar tegishli vositadir.

O'lchovlari Shumann rezonanslari butun dunyodagi bir nechta stantsiyalarda global chaqmoq faoliyatini juda yaxshi kuzatish mumkin.[14] Ning dispers xususiyatini qo'llash mumkin Yer-ionosfera to'lqinlari qo'llanmasi o'lchash orqali guruh tezligi turli chastotalarda sferik signalning kelishi yo'nalishi bilan birga. Pastki VLF diapazonidagi qo'shni chastotalarning guruh vaqtidagi kechikish farqi manba masofasiga to'g'ri proportsionaldir. VLF to'lqinlarining susayishi g'arbdan sharqqa tarqalishida va tunda kichikroq bo'lganligi sababli, tungi vaqt davomida g'arbdan kelgan signallar uchun taxminan 10,000 km masofagacha momaqaldiroq faolligini kuzatish mumkin. Aks holda, uzatish diapazoni 5000 km.[17]

Mintaqaviy diapazon uchun (<1000 km) odatiy usul - magnit yo'nalishni aniqlash, shuningdek bir nechta stantsiyalarda bir vaqtning o'zida kuzatilgan sferik signalning etib kelish vaqti.[18] Bunday o'lchovlarni taxmin qilish - bu bitta individual impulsga konsentratsiya. Agar bir vaqtning o'zida bir nechta impulslar o'lchansa, shovqin impulslarning teskari o'rtacha ketma-ketlik vaqtiga teng urish chastotasi bilan sodir bo'ladi.

Sferiklarning odamlarga ta'siri

1954 yilda Germaniyada bir million kishini jalb qilgan Reynxol Reyter tomonidan olib borilgan tadqiqotlar shuni ko'rsatdiki, odamlar VLF radio atmosfera signallari ta'siriga sezgir. VLF sferiklari kuchliroq bo'lganida tug'ilish, o'lim, o'z joniga qasd qilish, zo'rlash, ish joyidagi shikastlanishlar, yo'l-transport hodisalari, odamlarning reaktsiyasi vaqtlari, amputantlarning og'rig'i va miya shikastlangan odamlarning shikoyatlari soni sezilarli darajada oshdi.[19][20][ishonchsiz chekka manbai? ]

Atmosfera shovqini

The signal-shovqin nisbati ning sezgirligi va sezgirligini aniqlaydi telekommunikatsiya tizimlar (masalan, radio qabul qiluvchilar). An analog signal aniqlanishi uchun shovqin amplitudasidan aniq oshib ketishi kerak. Atmosfera shovqini radio signallarini aniqlashni cheklash uchun eng muhim manbalardan biridir.

Chaqmoq kanalidagi barqaror elektr zaryadsizlanishi toklari butun chastota diapazonida bir qator nomuvofiq impulslarni keltirib chiqaradi, ularning amplitudalari teskari chastota bilan kamayadi. ELF diapazonida 50-60 Hz dan texnik shovqin, tabiiy shovqin magnitosfera va boshqalar ustunlik qiladi. VLF diapazonida fon shovqinidan paydo bo'ladigan R va K zarbalaridan izchil impulslar mavjud.[21] Taxminan 100 kHz dan tashqari, shovqin amplitudasi tobora nomuvofiq bo'lib qoladi. Bundan tashqari, elektr dvigatellari, avtoulovlarning ateşleme tizimlari va hokazolardan kelib chiqadigan texnik shovqinlar ustiga qo'yilgan. Va nihoyat, yuqori chastotali diapazondan tashqari (3-30 MGts) er usti shovqini (galaktik kelib chiqadigan shovqin, quyosh shovqini) hukmronlik qiladi.[2][3]

Atmosferadagi shovqin kun va yilning chastotasi, joylashuvi va vaqtiga bog'liq. Ushbu shovqinning butun dunyo bo'ylab o'lchovlari CCIR-hisobotlarida hujjatlashtirilgan.[a][22]

Shuningdek qarang

Izohlar

  1. ^ Qisqartma CCIR degan ma'noni anglatadi Comité Consultatif International des Radiocommunication (Radioaloqa bo'yicha xalqaro maslahat qo'mitasi).


Adabiyotlar

  1. ^ a b Uman, M. A. (1980), Chaqmoq, Nyu York: Akademik matbuot
  2. ^ a b Lyuis, E. A. (1982), "Yuqori chastotali radio shovqin", Vollandda, H. (tahr.), CRC Atmosfera qo'llanmasi, Men, Boka Raton, Florida: CRC Press, 251-288 betlar, ISBN  9780849332265
  3. ^ a b Proctor, D. E. (1995), "Tabiiy sabablar tufayli 300 kHz dan yuqori radio shovqin", Volland, H. (ed.), Atmosfera elektrodinamikasi bo'yicha qo'llanma, Men, Boka Raton, Florida: CRC Press, 311–358 betlar, ISBN  9780849386473
  4. ^ Xayakava, M. (1995), "Whistlers", Vollandda, H. (tahr.), Atmosfera elektrodinamikasi bo'yicha qo'llanma, II, Boka Raton, Florida: CRC Press, 155–193-betlar
  5. ^ Park, C. G. (1982), "Whistlers", Vollandda, H (tahrir), CRC Atmosfera qo'llanmasi, II, Boka Raton, Florida: CRC Press, 21-77 betlar, ISBN  0849332273
  6. ^ Serhan, G. L .; va boshq. (1980), "Birinchi va keyingi chaqmoqlarning chastotali chastotalari ≈ km 100 km oralig'i ", Radiologiya, 15 (108)
  7. ^ a b Volland, H. (1995), "Atmosfera to'lqinlari qo'llanmasida uzun to'lqinli sferiklarning tarqalishi", Vollandda, H. (tahr.), Atmosfera elektrodinamikasi bo'yicha qo'llanma, II, Boka Raton, Florida: CRC Press, 65-93 betlar
  8. ^ Lin, Y.T .; va boshq. (1979). "Bir vaqtning o'zida ikki stantsiyali o'lchovlardan chaqmoqning qaytish zarbasi elektr va magnit maydonlarining xarakteristikasi". J. Geofiz. Res. 84: 6307. Bibcode:1979JGR .... 84.6307L. doi:10.1029 / JC084iC10p06307.
  9. ^ Vaydman, KD; Krider, E. P. (1979). "Bulut ichidagi chaqmoqlarni tushirish jarayonlari natijasida hosil bo'lgan radiatsion maydon to'lqin shakllari". J. Geofiz. Res. 84: 3159. Bibcode:1979JGR .... 84.3159W. doi:10.1029 / JC084iC06p03159.
  10. ^ a b Volland, H. (1984), Atmosfera elektrodinamikasi, Berlin: Springer
  11. ^ Kutib turing, J. R. (1982), To'lqinlarni ko'paytirish nazariyasi, Nyu York: Pergamon Press
  12. ^ Xart, V. (1982), "Past chastotali to'lqinlarning tarqalishi nazariyasi", Vollandda, H. (tahr.), CRC Atmosfera qo'llanmasi, II, Boka Raton, Florida: CRC Press, 133–202 betlar, ISBN  0849332273
  13. ^ Polk, C. (1982), "Shumann rezonanslari", Vollandda, H. (tahr.), CRC Atmosfera qo'llanmasi, Men, Boka Raton, Florida: CRC Press, 111–178 betlar, ISBN  9780849332265
  14. ^ a b Sentman, D. D. (1995), "Shumann rezonanslari", Vollandda, H. (tahr.), Atmosfera elektrodinamikasi bo'yicha qo'llanma, Men, Boka Raton, Florida: CRC Press, 267–295 betlar, ISBN  9780849386473
  15. ^ Vonnegut, B. (1982), "Momaqaldiroq bulutlari fizikasi", Vollandda, H (tahr.), CRC Atmosfera qo'llanmasi, Men, Boka Raton, Florida: CRC Press, 1–22-betlar, ISBN  9780849332265
  16. ^ Uilyams, E. R. (1995), "Momaqaldiroqlarning meteorologik jihatlari", Vollandda, H. (tahr.), Atmosfera elektrodinamikasi bo'yicha qo'llanma, Men, Boka Raton, Florida: CRC Press, 27-60 betlar, ISBN  9780849386473
  17. ^ Grandt, C. (1992), "VLF sferiklari yordamida Janubiy Afrika va Evropada momaqaldiroq kuzatuvi", J. Geofiz. Res., 97: 18215, Bibcode:1992JGR .... 9718215G, doi:10.1029 / 92JD01623
  18. ^ Orville, R. E. (1995), "Erdan va kosmosdan chaqmoqni aniqlash", Vollandda, H. (tahr.), Atmosfera elektrodinamikasi bo'yicha qo'llanma, Men, Boka Raton, Florida: CRC Press, 137–149 betlar, ISBN  9780849386473
  19. ^ Reyter, Reynxold (1954). "Umwelteinflüsse auf die Reaktionszeit des gesunden Menschen". p. 481.
  20. ^ Firstenberg, Artur (2017). Ko'rinmas kamalak. p. 120.
  21. ^ Fraser-Smit, A. C. (1995), "Past chastotali radio shovqin", Vollandda, H. (tahr.), Atmosfera elektrodinamikasi bo'yicha qo'llanma, Men, Boka Raton, Florida: CRC Press, 297–310-betlar, ISBN  9780849386473
  22. ^ Spulding, A. D. (1995). "Atmosferadagi shovqin va uning telekommunikatsiya tizimining ishlashiga ta'siri". Vollandda H. (tahrir). Atmosfera elektrodinamikasi bo'yicha qo'llanma. Men. Boka Raton, Florida: CRC Press. 359-395 betlar. ISBN  9780849386473.

Tashqi havolalar