Jak wykorzystać stacje radiowe ELF do badań geofizycznych?

Jak wykorzystać stacje radiowe ELF do badań geofizycznych?

Obserwatorium Astronomiczne UJ
Zakład Fizyki Wysokich Energii
Instytut Fizyki UJ
Zakład Doświadczalnej Fizyki Komputerowej
Akademia Górniczo-Hutnicza
Katedra Elektroniki
Andrzej Kułak AGH/OA UJ
Zenon Nieckarz -IF UJ
Jerzy Kubisz, Adam Michalec, Piotr Koperski, Stanisław Zięba - OA UJ
Jak wykorzystać stacje radiowe
ELF
do badań geofizycznych?
Dwerniczek - 2007
Historia radiokomunikacji w zakresie ELF
1887 - eksperymenty H. Hertza - UHF, VHF
1890 - E. Kennelly - próba obserwacji Słońca w zakresie ELF
1891 - wprowadzenie sieci prądu zmiennego 50 Hz (Europa)
1893 - W. Preece - telegraf indukcyjny „bez drutu” - 8 km
1897 - O. Lodge - kolejna próba obserwacji Słońca w zakresie ELF
1901 - G. Marconi - łączność przez Atlantyk - odkrycie jonosfery
1906 - N. Tesla - bezprzewodowe rozsyłanie energii ELF na Ziemi
1938 - W. O. Schumann - idea łączności globalnej w zakresie ELF ?
1952 - W. O. Schumann - rezonans wnęki Ziemia - Jonosfera w zakresie ELF
1960 - M. Balser - obserwacja rezonansu Schumanna
1969 - pomysł radiokomunikacji w zakresie ELF
1974 - realizacja projektu Sangine (IEEE 1974)
1979 - rusza system Seafarer - 76 Hz
1985 - uruchomiono system Zevs - 82 Hz
Dwerniczek - 2007
Anteny nadawcze w zakresie ELF
antena ziemna - horyzontalny dipol magnetyczny (HDM)
długość anteny
l
1
δg =
nadajnik I = I 0 cos ω t
uziemienie 1
poziom gruntu
π µ 0σ g f
uziemienie 2
w
„głębokośćć” anteny
grunt jednorodny
warstwa podwójna
δg
σg
σ d >> σ g
hg
w=
δg
2
w ≈ hg
Dwerniczek - 2007
Anteny nadawcze w zakresie ELF
horyzontalny dipol magnetyczny - HDM
l
uziemienie 1
uziemienie 2
I ⋅ cos ω t
w
Ra =
s
d
1
2πσ g ⋅ s
I=
ln
s
d
P
2 Ra
m = I0 ⋅ l ⋅ w
Dwerniczek - 2007
Promieniowanie HDM w falowodzie Ziemia - jonosfera
h
Ez
ϕ =0
m
x
Hy
i ⋅ µ 0 ⋅ k 2 ⋅ m ( 2)
Bϕ (r , ϕ ) = −
H1 (kr ) ⋅ cos ϕ
4h
[Budden 1961]
strefa falowa
dodanie tłumienia
Bϕ (r , ϕ ) ≈ −
Bϕ (r , ϕ ) ≈ −
µ0 ⋅ k 2 ⋅ m
4h
µ0 ⋅ k 2 ⋅ m
4h
2 −ikr
e ⋅ cos ϕ
πkr
2 −ikr −αr
e e ⋅ cos ϕ
πkr
Dwerniczek - 2007
Zależności dyspersyjne w falowodzie Ziemia - jonosfera
ϕ =0
B(r ) ≈
µ0 ⋅ m ⋅ k 2
4h
2
⋅
⋅ e −αr
πkr
max promieniowania
k=
2π
λ
v
λ=
f
długość fali w falowodzie Ziemia - jonosfera
c
= 1.64 − 0.1759 ln f + 0.0179 ln 2 f
v
α = 0.063 ⋅ f 0.64 [dB/Mm]
10 [Hz]
v = 0.7520 ⋅ c
α = 0.275 [dB/Mm]
50 [Hz]
80 [Hz]
100 [Hz]
v = 0.8158 ⋅ c
v = 0.8245 ⋅ c
v = 0.8267 ⋅ c
0.770 [dB/Mm]
1.04 [dB/Mm]
1.20 [dB/Mm]
Dwerniczek - 2007
Efekt ogniskowania pola na antypodach
N
π ⋅ µ 0 m λ −αr
B(r ) ≈
⋅ 2⋅
⋅e
h λ
r
r
θ=
a
a
θ
O
faktor ogniskowania
sin θ
A
VLF - Austin 1926
B (r ) ≈
ELF - Galejs 1972
1
1
θ
⋅
=
r sin θ
a sin r / a
[Galejs 1972]
lim
r →πa
π ⋅ µ0 m λ
θ
⋅ 2⋅
⋅
⋅e −αr
h λ
r
sin θ
maxima dla
1
π
=
a sin r / a
λ
r = 0 i r =π ⋅a
Dwerniczek - 2007
Efekt ogniskowania pola na antypodach
[Burrows 1975]
Dwerniczek - 2007
Anteny odbiorcze w zakresie ELF
La
Ra
ε
Pa =
Ri
ε 2 Ri
( Ra + Ri )
S=
A=
4
=
4 Ri
γa
 2 Ri 
γa = 

 Ra + Ri 
ε = µ a ⋅ N ⋅ A ⋅ω ⋅ B
πd 2
2
ε2
2
1
⋅η 0 ⋅ H 2
2
Pa 2π 2 µ a N 2 A2 η0
Σa =
=
λ2
S
Ra
2
powierzchnia skuteczna anteny
Dwerniczek - 2007
Anteny odbiorcze w zakresie ELF
l
2π 2 µ a N 2 A2 η0
Σa =
λ2
Ra
2
d
s=
l
d
smukłość anteny
µa ≈
1
1 0.84 
1
+
1−
µ r s1.7  µ r 
efektywna przenikalność rdzenia anteny
µr >> s
µ a ≈ 1 . 2 ⋅ s 1 .7
Σ a = 4.23 ⋅10 −8 ⋅ d 5 ⋅ s 4.4 ⋅ f 2
Dwerniczek - 2007
Anteny odbiorcze w zakresie ELF
La
Ra
Ua
ε
Un
In
Ri
optymalizacja szumowa anteny
Ra =
Un
In
Fa = 1+
I nU n
2kT
minimalna liczba szumowa
Dwerniczek - 2007
Anteny odbiorcze w zakresie ELF
parametry anten optymalnych
Fa − 1  pT 
Bn ≈ 0.028 2.5 2.2
d ⋅ s ⋅ f  Hz 
l = 1 m, f = 80 Hz
d = 10 [mm]
s = 100
Fa = 1.2
 pT 
Bn ≈ 0.0006 

 Hz 
l = 3 m, f = 80 Hz
d = 50 [mm]
s = 60
Fa = 1.2
Φ ≈ 160 [m]
równoważna pętla z drutu
 pT 
Bn ≈ 3 ⋅10 −5 

 Hz 
Φ ≈ 400 [m]
Dwerniczek - 2007
Anteny AA1000 w czasie testów
Dwerniczek - 2007
Poziom szumów na Ziemi w zakresie ELF
Report 670 CCIR, Worldwide minimum external noise levels 0.1 Hz to 100 GHz, vol. 1, pp. 207-214, 1986
Poziom szumów ELF
Hylaty - szumy planety w zakresie 0.1 Hz do 60 Hz
1
50 Hz
1
Amp.
2
50 / 3 Hz
0.1
3
4
5
6
7
0.01
0
5
10
15
20
25
30
Freq [Hz]
35
40
45
50
55
Poziom szumów Ziemi w zakresie ELF
aktywność burzowa
promieniowanie termiczne
Tz ≈ 3 ⋅10 [K]
1 Bz2
εB =
2 µ0
T0 ≈ 300 [K]
Bz ≈ 3 ⋅10 −12 [T]
µ 0 = 4π ⋅10 −7
Bz ≈ 10 −23 [T]
objętość rezonatora
1
WB = ⋅ 2 ⋅ ε B ⋅ 4π ⋅ a 2 ⋅ h
2
25
ε B ≈ 3.6 ⋅10 −18 [J/m 3 ]
WB ≈ 120 [J]
PB ≈ 1200 [W]
ε B ≈ 3.6 ⋅10 −41 [J/m 3 ]
τ=
Q
ω
≈ 0.1 [s]
WB ≈ 1.2 ⋅10 −21 [J]
WB
PB ≈ 1.2 ⋅10 −20 [W]
PB =
S
f
Pdet ≈ ⋅ kT0 ⋅ ≈ 2 ⋅10 −18 [W]
N
Q
S
≈ 300
N
τ
h
Bz ⋅ A =
≈ 2 ⋅10 −15 [Wb]
2e
Amin = 2 ⋅108 [m 2 ]
d min = 15 [km]
Dwerniczek - 2007
Zasięg łącza radiowego w zakresie ELF
liczba szumowa szumu atmosferycznego
Fa = 10 log
f = 100 Hz
Pa
kT ∆f
Fa = 205 [dB]
Fa = 215 [dB]
lub
Pa
Ta =
k∆f
wartość minimalna
wartość maksymalna
Ena = Fa + 20 log f MHz + 10 log ∆f MHz − 95.5 [dB(µV/m)]
µ0
Ena
η
Bna ≈ 0.0004 [pT/ Hz ]
wartość minimalna
Bna ≈ 0.002 [pT/ Hz ]
wartość maksymalna
Bn ≈ 0.00003 [pT/ Hz ]
antena l = 3 m
Bna =
wniosek: poziom szumów na powierzchni Ziemi jest wyższy niż dostępnych anten
Bna >> Bn
Zasięg łącza radiowego
warunek przybliżony:
Podebrana ≈ Pna
Pna = kTa ∆f
∆f [Hz] szerokość kanału
moc odebrana = moc szumów atmosferycznych na wejściu odbiornika
dokładny warunek:
Podebrana ≈ γ ⋅ Pna
γ
- progowa wierność przed detekcyjna,
dla której transmisja jest poprawna
↓
jest zależna od rodzaju modulacji
i wymagań jakości sygnału po
wyjściu z detektora
moc odebrana = γ ⋅moc szumów atmosferycznych na wejściu odbiornika
Wierność przeddetekcyjna prostych modulacji cyfrowych
o
Ρb =
γ
decyduje przyjęcie binarnej stopy błędu - Pb - BER
1
exp(−aγ )
2
1
Ρb = erfc( aγ )
2
a = 1/2 - FSK
a = 1 - PSK
NC - detekcja nie koherentna
C - detekcja koherentna
gdzie
MSK:
S 
P
γ =   = odebrana
Pszumu
 N  we
NC
dla Pb =0.001
C
dla Pb =0.001
γ ≈ 12 . 4 [dB]
→ γ ≈ 5 [dB]
→
Zasięg łącza radiowego w zakresie ELF
kryterium zasięgu
Bodebrane − min ≥ Bna ⋅ ∆f ⋅ γ
S  Bodebrane 

= 
N  Bodebrane − min 
2
2
S  π ⋅ µ0 
m2
1
e − 2α r
=
⋅
⋅
 ⋅
N  h  γ ⋅ ∆f Ba2 λ3 a sin r / a
S
= −108− 20 log h + 20 log m −10 log(γ ⋅ ∆f ) − 20 log Ba − 30 logλ −
N
- α dB/ Mm ⋅ rMm −10log(a sin r / a)
System Seafarer - 76 Hz
dwa nadajniki:
WTF (Wisconsin Transmitter Facility)
MTF (Michigen Transmitter Facility)
σ g ≈ 2.4 10 -4 [S/m]
[Bannister 1976, Wolkoff and Kraimer 1993]
w ≈ 2.6 [km]
l ≈ 22.5 [km]
I = 300 [A]
m ≈ 2 × 300 [A] × 22.5 [km] × 2.6 [km] = 3.5 ⋅ 1010 [A ⋅ m 2 ]
λ = 3.95 [Mm]
r = 10 [Mm]
r = 20 [Mm]
S
= 12.8 [dB]
N
S
= 22.8 [dB]
N
10 log π
r
λ
≈ 9 .0 [dB]
System Seafarer
System Seafarer - 76 Hz - raport sygnału
WTF + MTF
B(r ) ≈
π ⋅ µ0 m
λ
⋅ 2⋅
⋅ e −αr
h λ
a sin( r / a)
B(r ) = B − α dB / Mm ⋅ rMm −10 log(a sin r / a)
m ≈ 3.5 ⋅ 1010 [A ⋅ m 2 ]
h ≈ 65 [km]
∆f = γ = 1
B = −108 − 20 log h − 30 log λ + 20 log m
B = −251.4
λ = 3.95 [Mm]
v / c = 1.212
B(r ) = −251.4 − α dB / Mm ⋅ rMm − 10 log(a sin r / a) [dBT]
20 log(1 / µ 0 ) = 118
H (r ) = −133.4 − α dB / Mm ⋅ rMm − 10 log(a sin r / a) [dBA/m]
System Seafarer - 76 Hz - raport sygnału
WTF + MTF
m ≈ 3.5 ⋅ 1010 [A ⋅ m 2 ]
h ≈ 65 [km]
∆f = γ = 1
λ = 3.95 [Mm]
v / c = 1.212
H (r ) = −133.4 − α dB / Mm ⋅ rMm − 10 log(a sin r / a) [dBA/m]
v / c = 1.1
H (r ) = −131.8 + 20 log E − α dB / Mm ⋅ rMm −10 log(a sin r / a) [dBA/m]
[Fraser-Smith, Bannister 1995]
E=
55900
= 0.781
h c/v
H (r ) = −133.9 − α dB / Mm ⋅ rMm −10 log(a sin r / a) [dBA/m]
r = 10 [Mm]
B(r ) = −271.9 [dBT]
B(r ) = 0.026 [pT]
System Seafarer - odbiór w stacji Hylaty
Moc [pT2/Hz]
WTF + MTF
10000
1000
100
10
1
0.1
0.01
0.001
0.0001
50 Hz
~16.667 Hz
76~78
Hz
Hz
82 Hz
0
10
20
30
40
50
60
Częstotliwość [Hz]
70
80
90
System Zevs - 82 Hz
nadajnik:
KPTH (półwysep Kola)
σ g ≈ 10 -5 [S/m]
warstwa podwójna
hg ≈ 10 [km]
σ d ≈ 10 -3 [S/m]
w ≈ h g ≈ 10 [km]
l ≈ 55 [km]
[Bannister 1976, Wolkoff and Kraimer 1993]
σg
hg
σ d >> σ g
I = 200 [A]
m ≈ 200 [A] × 55 [km] × 10 [km] = 1.1⋅ 1011 [A ⋅ m 2 ]
λ = 3.65 [Mm]
r = 10 [Mm]
r = 20 [Mm]
S
= 22.3 [dB]
N
S
= 31.6 [dB]
N
10 log π
r
λ
≈ 9 .3 [dB]
w ≈ hg
System Zevs
System Zevs - 82 Hz - raport sygnału
KPTF
m ≈ 1.1 ⋅ 1011 [A ⋅ m 2 ]
h ≈ 65 [km]
B(r ) = B − α dB / Mm ⋅ rMm −10 log(a sin r / a)
B = −108 − 20 log h − 30 log λ + 20 log m
∆f = γ = 1
λ = 3.65 [Mm]
B = −242.5
v / c = 1.212
B(r ) = −242.5 − α dB / Mm ⋅ rMm − 10 log(a sin r / a) [dBT]
20 log(1 / µ 0 ) = 118
H (r ) = −124.5 − α dB / Mm ⋅ rMm − 10 log(a sin r / a) [dBA/m]
literatura :
r = 10 [Mm]
H (r ) = −125.9 − α dB / Mm ⋅ rMm −10 log(a sin r / a) [dBA/m]
B(r ) = −263.0 [dBT]
B(r ) = 0.072 [pT]
Praca pod wodą
Praca systemów pod wodą
Bϕ (0)
σ ≈ 3 [S/m]
δ ≈ 25 [m]
d
T = − 8.69 ⋅
d = 300 [m]
d
δ
[dB]
T = 104.3 [dB]
oczekiwane
T = 66.7 [dB]
możliwe
Bϕ (0) = 0.072 [pT]
antena 3 m
Bn = 0.00003 [pT]
Co z tego wynika dla badań dolnej jonosfery ?
• stacje można traktować jako beacony do badań propagacji, ale
czy moc nadawana jest stała ?
czy nie są obracane wiązki ?
jaka jest stałość pracy anten ziemnych ?
czy są zasilane prądowo ?
• można prowadzić pomiary różnicowe
2 stacje na kole wielkim
można mierzyć opóźnienie fazowe
można mierzyć różnicę amplitud
• ciekawe testy - czy istnieje czarna dziura sygnału H ?
Budowa własnego nadajnika doświadczalnego
brak regulacji prawnych f < 10 kHz
1 etap - strefa bliska pola anteny
antena w płaszczyźnie xz:
By ( y) =
µ 0 m 1 iω t
e
3
π y
pole podłużne
Bodebrane − min ≥ Bna ⋅ ∆f ⋅ γ
l ≈ 500 [m]
P = 100 [W]
m = 2 ⋅105 [Am 2 ]
y≤6
1
µ0m
⋅3
γ ⋅ ∆f
2π ⋅ Bn
y ≈ 50 [km]
2 etap - strefa falowa
l ≈ 5000 [m]
P = 1000 [W]
m = 2 ⋅10 7 [Am 2 ]
x ≈ 10 000 [km]
fale poprzeczne
Wnioski
Refleksja - jak silne są sztuczne pola ELF ?
pola elektryczne:
chmura burzowa
linia wysokiego napięcia
monitor tradycyjny
stałe pole naturalne Ziemi
naturalne pole zmienne Ziemi
czułość receptorów biologicznych
5 ⋅104 V/m
104 V/m
300 V/m
100 V/m
400⋅⋅10-6 V/m = 400 µV/m
10-6 V/m =
1 µV/m
pola magnetyczne:
duże elektromagnesy (EPR, NMR)
pamięci magnetyczne - dyskietka
ziemskie stałe pole magnetyczne
pole magnetyczne serca
zmienne pola naturalne Ziemi
spontaniczna aktywność mózgu
stacje łączności globalnej ELF
poziom szumu anten bieszczadzkich
1T
T = 1 mT
15⋅⋅10-6 T = 5 µT
100⋅⋅10-12 T = 100 pT
10⋅⋅10-12 T = 10 pT
10-12 T = 1 pT
5⋅⋅10-13 T = 0.5 pT
5⋅⋅10-14 T = 0.05 pT
10-3
Dwerniczek - 2007