إشارة الغلاف الجوي الراديوية

📅 آخر تحديث: ٢٥ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٥ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 1 صور
الموسوعة الحرة
رسم بياني للتردد مقابل الزمن ( مخطط طيفي ) يوضح عدة إشارات صفير وسط خلفية من الإشارات الكهرومغناطيسية كما تم استقبالها في محطة بالمر ، أنتاركتيكا في 24 أغسطس 2005.

الإشارة الراديوية الجوية، أو ما يُعرف بالزفيرية (أو ما يُسمى أحيانًا بـ"الزفيرية")، هي نبضة كهرومغناطيسية واسعة النطاق تنشأ نتيجةً لتفريغات البرق الطبيعية في الغلاف الجوي . قد تنتشر الزفيرية من مصدر البرق دون أن تتعرض لتوهين كبير في طبقة الأرض-الأيونوسفير ، ويمكن استقبالها على بُعد آلاف الكيلومترات من مصدرها. في مخطط المجال الزمني، قد تظهر الزفيرية على شكل ذروة واحدة عالية السعة في بيانات المجال الزمني. أما في مخطط الطيف ، فتظهر الزفيرية على شكل شريط رأسي (يعكس طبيعتها واسعة النطاق والنبضية) قد يمتد من بضعة كيلوهرتز إلى عشرات الكيلوهرتز، وذلك تبعًا للظروف الجوية.

يتم استقبال الإشارات الكهرومغناطيسية من مسافة حوالي 2000 كيلومتر أو أكثر، وتكون تردداتها منحرفة قليلاً في الوقت، مما ينتج عنه تشوهات .

عندما تتسرب الطاقة الكهرومغناطيسية من موجة جوية عابرة للأرض عبر قناة الأيونوسفير وتدخل الغلاف المغناطيسي، تتشتت بفعل بلازما الأرض القريبة ، مُشكّلةً إشارة صفير . ولأن مصدر الصفير هو نبضة (أي الموجة الجوية العابرة)، يُمكن تفسير الصفير على أنه استجابة نبضية للغلاف المغناطيسي (وفقًا للظروف السائدة في تلك اللحظة).

مقدمة

تتصرف قناة البرق، بكل فروعها وتياراتها الكهربائية، كنظام هوائي ضخم يُشعّ موجات كهرومغناطيسية بجميع الترددات. وبعيدًا عن المسافة التي يُمكن فيها رؤية اللمعان وسماع الرعد (عادةً حوالي 10  كيلومترات)، تُعدّ هذه النبضات الكهرومغناطيسية المصادر الوحيدة للمعلومات المباشرة حول نشاط العواصف الرعدية على الأرض. وتُشكّل التيارات الكهربائية العابرة أثناء ضربات البرق العكسية (ضربات R) أو ضربات البرق داخل السحب (ضربات K) المصادر الرئيسية لتوليد الإشعاع الكهرومغناطيسي النبضي المعروف باسم الإشعاع الجوي (يُسمى أحيانًا الإشعاع الجوي). [ 1 ] وبينما يهيمن هذا الإشعاع النبضي عند ترددات أقل من 100  كيلوهرتز تقريبًا (والتي تُسمى بشكل عام الموجات الطويلة)، يصبح مُكوّن الضوضاء المستمر ذا أهمية متزايدة عند الترددات الأعلى. [ ٢ ] [ ٣ ] ينتشر الموجات الكهرومغناطيسية الطويلة للظواهر الجوية الكهرومغناطيسية داخل الموجه الأرضية الأيونوسفيرية بين سطح الأرض وطبقتي D وE الأيونوسفيريتين . ويمكن أن تنتشر الصافرات الناتجة عن ضربات البرق إلى الغلاف المغناطيسي على طول خطوط القوة المغناطيسية الأرضية . [ ٤ ] [ ٥ ] وأخيرًا، فإن البرق في طبقات الجو العليا، أو ما يُعرف بالظواهر الضوئية العابرة ، والتي تحدث على ارتفاعات الميزوسفير، هي ظواهر انهيار كهربائي قصيرة الأمد، يُحتمل أن تكون ناتجة عن أحداث برق عملاقة على سطح الأرض.

خصائص المصدر

معايير السكتة الدماغية الأساسية

في ضربة البرق النموذجية من السحابة إلى الأرض (ضربة R)، تُنقل الشحنة الكهربائية السالبة (الإلكترونات) التي تبلغ قيمتها Q ≈ 1 كولوم والمخزنة داخل قناة البرق إلى الأرض خلال فترة زمنية نموذجية للنبضة تبلغ τ = 100 ميكروثانية. وهذا يُقابل تيارًا متوسطًا يتدفق داخل القناة بقيمة J ≈ Q ⁄ τ = 10 كيلو أمبير. تُولد أقصى طاقة طيفية بالقرب من ترددات f ≈ 1 ⁄ τ = 10 كيلوهرتز، [ 6 ] أو عند أطوال موجية λ = c ⁄ f ≈ 30 كم (حيث c هي سرعة الضوء). في ضربات K النموذجية داخل السحابة، تتعادل شحنة كهربائية موجبة مقدارها Q ≈ 10 ملي كولوم في الجزء العلوي من القناة، مع كمية مكافئة من الشحنة السالبة في الجزء السفلي منها، وذلك خلال فترة زمنية نموذجية تبلغ τ ≈ 25 ميكروثانية. وتكون القيم المقابلة لمتوسط ​​التيار الكهربائي والتردد والطول الموجي كالتالي: J ≈ 400 أمبير، f ≈ 40 كيلوهرتز، و λ ≈ 7.5 كيلومتر. وبشكل عام، تكون طاقة ضربات K أضعف بمقدار رتبتين من طاقة ضربات R. [ 7 ]

يمكن تقدير الطول النموذجي لقنوات البرق بحوالي 8 كيلومترات (ℓ ≈ 1/4 λ = 8 كم) لضربات R، و4 كيلومترات (ℓ ≈ 1/2 λ = 4 كم ) لضربات K. غالبًا ما يتدفق تيار مستمر بين ضربات R المتتالية. [ 1 ] يتراوح زمن "نبضة" هذا التيار عادةً بين 10 و150 مللي ثانية، ويبلغ تياره الكهربائي حوالي 100 أمبير ( J ≈ 100 أمبير) ، ما يُقابله عدد شحنات يتراوح بين 1 و20 كولوم (Q ≈ 1-20 كولوم) ، وتردد يتراوح بين 7 و100 هرتز (f ≈ 7-100 هرتز) ، وطول موجة يتراوح بين 3 و40 ميغامتر (λ ≈ 3-40 ميغامتر). تُنتج كل من ضربات R وK موجات كهرومغناطيسية تُرى كشكل موجي نبضي متماسك ضمن مستقبل واسع النطاق مضبوط بين 1 و100  كيلوهرتز. تزداد شدة المجال الكهربائي للنبضة إلى قيمة قصوى خلال بضع ميكروثوانٍ، ثم تتناقص كما في المذبذب المخمد. [ 8 ] [ 9 ] ويعتمد اتجاه ازدياد شدة المجال على ما إذا كان التفريغ سالبًا أم موجبًا.

يبلغ طول الجزء المرئي من قناة البرق عادةً حوالي 5  كيلومترات. وقد يكون جزء آخر بطول مماثل مخفيًا داخل السحابة، وقد يمتد منه فرع أفقي كبير. من الواضح أن الطول الموجي السائد للموجات الكهرومغناطيسية الناتجة عن ضربات البرق من نوعي R و K ​​أكبر بكثير من أطوال قنواتها. لذا، يجب اشتقاق فيزياء انتشار الموجات الكهرومغناطيسية داخل القناة من نظرية الموجة الكاملة، لأن مفهوم الشعاع لا ينطبق عليها.

تيار القناة الكهربائية

يمكن اعتبار قناة شوط R سلكًا رفيعًا معزولًا بطول L وقطر d، مُخزَّنًا فيه شحنة كهربائية سالبة. من منظور نظرية الدوائر الكهربائية ، يُمكن اعتماد نموذج خط نقل بسيط يتضمن مكثفًا لتخزين الشحنة، ومقاومة القناة، ومحثًا يُحاكي خصائصها الكهربائية. [ 10 ] عند لحظة ملامسة الشحنة لسطح الأرض الموصل تمامًا، تُنقل إلى الأرض. ولتحقيق شروط الحدود عند قمة السلك (تيار كهربائي صفري) وعند الأرض (جهد كهربائي صفري)، لا يُمكن أن توجد إلا أنماط الموجات الرنانة المستقرة. وبالتالي، فإن النمط الأساسي الذي ينقل الشحنة الكهربائية إلى الأرض بكفاءة عالية، له طول موجي λ يساوي أربعة أضعاف طول القناة L. أما في حالة شوط K، فإن الحد السفلي هو نفسه الحد العلوي. [ 7 ] [ 10 ] بالطبع، هذه الصورة صحيحة فقط للنمط الموجي 1 (هوائي λ/4) وربما للنمط 2 (هوائي λ/2)، لأن هذين النمطين لا يستشعران بعدُ التكوينَ المشوّه لقناة البرق الحقيقية. تساهم الأنماط ذات الرتبة الأعلى في الإشارات الضوضائية غير المتماسكة في نطاق الترددات الأعلى (> 100  كيلوهرتز).

دالة نقل دليل الموجة بين الأرض والغلاف الأيوني

يمكن محاكاة الموجات الكهرومغناطيسية (Sferic) تقريبًا باستخدام مجال الإشعاع الكهرومغناطيسي لهوائي ثنائي القطب عمودي من نوع هرتز . يبلغ الحد الأقصى لسعة الطيف للموجة الكهرومغناطيسية عادةً حوالي 5 كيلوهرتز. بعد هذا الحد الأقصى، تتناقص سعة الطيف بنسبة 1/f إذا كان سطح الأرض موصلًا مثاليًا. يتمثل تأثير الأرض الحقيقية في إضعاف الترددات العالية بشكل أكبر من الترددات المنخفضة ( موجة سومرفيلد الأرضية). 

تُصدر موجات R معظم طاقتها ضمن نطاق الترددات المنخفضة للغاية (ELF) والترددات المنخفضة جدًا (VLF) ( حيث ELF  تعني الترددات المنخفضة للغاية، أقل من 3 كيلوهرتز؛ وVLF تعني الترددات المنخفضة جدًا، من 3 إلى 30  كيلوهرتز). تنعكس هذه الموجات وتضعف على سطح الأرض، وكذلك داخل طبقة D الأيونوسفيرية، على  ارتفاع يقارب 70 كيلومترًا خلال النهار، وعلى  ارتفاع يقارب 90 كيلومترًا خلال الليل. يعتمد الانعكاس والتوهين على سطح الأرض على التردد والمسافة والتضاريس . أما في حالة طبقة D الأيونوسفيرية، فيعتمد ذلك أيضًا، بشكل معقد ، على وقت اليوم والفصل وخط العرض والمجال المغناطيسي الأرضي . يمكن وصف انتشار موجات VLF داخل الدليل الموجي بين الأرض والأيونوسفير بنظرية الأشعة ونظرية الموجات. [ 11 ] [ 12 ]

عندما تكون المسافات أقل من 500  كيلومتر تقريبًا (بحسب التردد)، فإن نظرية الأشعة تكون مناسبة. تتداخل الموجة الأرضية مع الموجة الأولى (أو موجة السماء) المنعكسة عند طبقة D في الغلاف الأيوني.

على مسافات تزيد عن 500  كيلومتر تقريبًا، يجب إضافة الموجات السماوية المنعكسة عدة مرات في طبقة الأيونوسفير. لذا، فإن نظرية الأنماط هي الأنسب هنا. النمط الأول هو الأقل توهينًا داخل الموجه الأرضية-الأيونوسفيرية، وبالتالي فهو النمط السائد على مسافات تزيد عن 1000  كيلومتر تقريبًا.

يُعدّ الموجه الموجي بين الأرض والغلاف الأيوني مشتتًا. وتُوصَف خصائص انتشاره بدالة نقل T(ρ, f) تعتمد أساسًا على المسافة ρ والتردد f. في نطاق الترددات المنخفضة جدًا (VLF)، يكون النمط الأول فقط هو المهم عند مسافات تزيد عن 1000  كيلومتر تقريبًا. ويحدث أقل توهين لهذا النمط عند حوالي 15  كيلوهرتز. لذلك، يتصرف الموجه الموجي بين الأرض والغلاف الأيوني كمرشح تمرير نطاقي، حيث ينتقي هذا النطاق من إشارة واسعة النطاق.  وتسيطر إشارة 15 كيلوهرتز عند مسافات تزيد عن 5000  كيلومتر تقريبًا. أما بالنسبة للموجات ذات الترددات المنخفضة للغاية (ELF) (أقل من 3  كيلوهرتز)، فإن نظرية الأشعة تصبح غير صالحة، وتكون نظرية الأنماط هي الأنسب. وهنا، يبدأ النمط الصفري بالسيطرة وهو المسؤول عن النافذة الثانية عند المسافات الأكبر.

يمكن إثارة الموجات الرنانة لهذا النمط الصفري في تجويف الدليل الموجي بين الأرض والغلاف الأيوني، وذلك بشكل رئيسي بواسطة مكونات التيار المستمر للبرق المتدفق بين ضربتين عائدتين. أطوال موجاتها هي كسور صحيحة من محيط الأرض، وبالتالي يمكن تحديد ترددات رنينها تقريبًا بالعلاقة f <sub> m  </sub> ≃ mc <sub>c</sub> / (2π a <sub>0</sub> ) ≃ 7.5 m هرتز (حيث m = 1، 2، ...؛ a نصف قطر الأرض و c سرعة الضوء). تُعرف هذه الأنماط الرنانة بترددها الأساسي f <sub>1 </sub> ≃ 7.5 هرتز باسم رنين شومان . [ 13 ] [ 14 ]        

مراقبة نشاط العواصف الرعدية باستخدام المقاييس الجوية

تتولد حوالي 100 ومضة برق في الثانية الواحدة في جميع أنحاء العالم نتيجة العواصف الرعدية التي تتركز بشكل رئيسي في المناطق القارية عند خطوط العرض المنخفضة والمتوسطة. [ 15 ] [ 16 ] وتُعد الظواهر الجوية الكهرومغناطيسية الوسيلة الأنسب لرصد نشاط العواصف الرعدية.

يمكن رصد نشاط البرق العالمي بدقة جيدة نسبيًا من خلال قياسات رنين شومان في عدد قليل من المحطات حول العالم. [ 14 ] ويمكن الاستفادة من خاصية التشتت في دليل الموجة بين الأرض والغلاف الأيوني بقياس سرعة المجموعة لإشارة البرق عند ترددات مختلفة، بالإضافة إلى اتجاه وصولها. ويتناسب فرق تأخير المجموعة بين الترددات المتجاورة في نطاق الترددات المنخفضة جدًا (VLF) تناسبًا طرديًا مع بُعد المصدر. ونظرًا لأن توهين موجات VLF يكون أقل عند انتشارها من الغرب إلى الشرق وخلال الليل، فإنه  يمكن رصد نشاط العواصف الرعدية حتى مسافة 10,000 كيلومتر تقريبًا للإشارات القادمة من الغرب ليلًا. أما في غير ذلك، فيبلغ مدى الإرسال حوالي 5,000  كيلومتر. [ 17 ]

بالنسبة للمدى الإقليمي (أقل من 1000  كم)، تتمثل الطريقة المعتادة في تحديد الاتجاه المغناطيسي وقياسات زمن وصول الإشارة الكهرومغناطيسية التي تُرصد في وقت واحد في عدة محطات. [ 18 ] ويفترض في هذه القياسات التركيز على نبضة واحدة. وإذا تم قياس عدة نبضات في وقت واحد، يحدث تداخل بتردد خفقان يساوي مقلوب متوسط ​​زمن تسلسل النبضات.

الضوضاء الجوية

تحدد نسبة الإشارة إلى الضوضاء حساسية أنظمة الاتصالات (مثل أجهزة استقبال الراديو). يجب أن تتجاوز الإشارة التناظرية سعة الضوضاء بشكل واضح حتى يمكن اكتشافها. تُعد الضوضاء الجوية من أهم مصادر الحد من اكتشاف إشارات الراديو.

تُسبب تيارات التفريغ الكهربائي الثابتة في قناة البرق سلسلة من النبضات غير المتماسكة في كامل نطاق التردد، حيث تتناقص سعتها تقريبًا مع مقلوب التردد. في نطاق الترددات المنخفضة جدًا (ELF)،  تسود الضوضاء التقنية من 50 إلى 60 هرتز، والضوضاء الطبيعية من الغلاف المغناطيسي، وما إلى ذلك. في نطاق الترددات المنخفضة جدًا (VLF)، تظهر نبضات متماسكة من ضربات R وK، منبثقة من ضوضاء الخلفية. [ 19 ] بعد حوالي 100  كيلوهرتز، تصبح سعة الضوضاء غير متماسكة بشكل متزايد. بالإضافة إلى ذلك، تتراكب الضوضاء التقنية من المحركات الكهربائية، وأنظمة إشعال السيارات، وما إلى ذلك. أخيرًا، خارج نطاق الترددات العالية (3-30  ميجاهرتز)، تسود الضوضاء خارج الأرض (ضوضاء من أصل مجري، ضوضاء شمسية). [ 2 ] [ 3 ]

يعتمد الضجيج الجوي على التردد والموقع ووقت اليوم والسنة. وتُوثَّق قياسات هذا الضجيج عالميًا في تقارير CCIR. [ أ ] [ 20 ]

انظر أيضاً

الحواشي

  1. ↑ يشيرالاختصار CCIR إلى Comité Consultatif International des Radiocommunications (لجنة الاستشارة الدولية للاتصالات الراديوية).

مراجع

  1. 1 2 أومان، ماجستير (1980)، التفريغ البرقي ، نيويورك: دار النشر الأكاديمية
  2. 1 2 لويس، إي. أ. (1982)، "ضوضاء الراديو عالية التردد"، في فولاند، هـ. (محرر)، دليل سي آر سي لعلم الغلاف الجوي ، المجلد الأول، بوكا راتون، فلوريدا: مطبعة سي آر سي ، الصفحات 251-288 ، رقم ISBN   9780849332265
  3. 1 2 بروكتر، دي إي (1995)، "الضوضاء الراديوية فوق 300 كيلوهرتز بسبب أسباب طبيعية"، في فولاند، إتش (محرر)، دليل الديناميكا الكهربائية للغلاف الجوي ، المجلد الأول، بوكا راتون، فلوريدا: مطبعة سي آر سي، الصفحات 311-358 ، ISBN    9780849386473
  4. ↑ هاياكاوا، م. ( 1995)، "الصافرات"، في فولاند، هـ. (محرر)، دليل الديناميكا الكهربائية للغلاف الجوي ، المجلد الثاني، بوكا راتون، فلوريدا: مطبعة سي آر سي، الصفحات 155-193  
  5. ↑ بارك، سي جي (1982)، "الصافرات"، في فولاند، إتش (محرر)، دليل سي آر سي لعلم الغلاف الجوي ، المجلد الثاني، بوكا راتون، فلوريدا: مطبعة سي آر سي، الصفحات 21-77 ، رقم ISBN   0849332273
  6. ↑ سرحان، جي إل؛ وآخرون (1980)، "أطياف الترددات الراديوية لضربات البرق الأولى واللاحقة في نطاق ℓ ≈ 100 كم "، علوم الراديو ، 15 (108)، doi : 10.1029/RS015i006p01089 
  7. 1 2 فولاند، هـ. (1995)، "انتشار الموجات الطويلة داخل الدليل الموجي الجوي"، في فولاند، هـ. (محرر)، دليل الديناميكا الكهربائية الجوية ، المجلد الثاني، بوكا راتون، فلوريدا: مطبعة سي آر سي، الصفحات 65-93  
  8. ↑ لين، واي تي؛ وآخرون (1979). "توصيف المجالات الكهربائية والمغناطيسية لضربة البرق العائدة من قياسات متزامنة في محطتين". مجلة البحوث الجيوفيزيائية 84 (C10): 6307. Bibcode : 1979JGR....84.6307L . doi : 10.1029/JC084iC10p06307 . 
  9. ↑ وايدمان، سي دي؛ كريدر، إي بي (1979). "أشكال موجات مجال الإشعاع الناتجة عن عمليات تفريغ البرق داخل السحابة". مجلة البحوث الجيوفيزيائية 84 (C6): 3159. Bibcode : 1979JGR....84.3159W . doi : 10.1029/JC084iC06p03159 .
  10. 1 2 فولاند، هـ. (1984)، الديناميكا الكهربائية للغلاف الجوي ، برلين: سبرينغر
  11. ↑ ويت، جيه آر (1982)، نظرية انتشار الموجات ، نيويورك: دار بيرغامون للنشر
  12. ↑ هارث، و. (1982)، "نظرية انتشار الموجات منخفضة التردد"، في فولاند، هـ. (محرر)، دليل سي آر سي لعلم الغلاف الجوي ، المجلد الثاني، بوكا راتون، فلوريدا: مطبعة سي آر سي، الصفحات 133-202 ، رقم ISBN   0849332273
  13. ↑ بولك، سي. (1982)، "رنين شومان"، في فولاند، هـ. (محرر)، دليل سي آر سي لعلم الغلاف الجوي ، المجلد الأول، بوكا راتون، فلوريدا: مطبعة سي آر سي، الصفحات 111-178 ، رقم ISBN   9780849332265
  14. 1 2 سنتمان، د.د. (1995)، "رنين شومان"، في فولاند، هـ. (محرر)، دليل الديناميكا الكهربائية للغلاف الجوي ، المجلد الأول، بوكا راتون، فلوريدا: مطبعة سي آر سي، الصفحات 267-295 ، رقم ISBN   9780849386473
  15. ↑ فونيغوت، ب. (1982)، "فيزياء السحب الرعدية"، في فولاند، هـ (محرر)، دليل سي آر سي للغلاف الجوي ، المجلد الأول، بوكا راتون، فلوريدا: مطبعة سي آر سي، الصفحات 1-22 ، رقم ISBN   9780849332265
  16. ↑ ويليامز، إي آر (1995)، "الجوانب المناخية للعواصف الرعدية"، في فولاند، إتش (محرر)، دليل الديناميكا الكهربائية للغلاف الجوي ، المجلد الأول، بوكا راتون، فلوريدا: مطبعة سي آر سي، الصفحات 27-60 ، رقم ISBN   9780849386473
  17. ↑ جراندت، سي. (1992)، "رصد العواصف الرعدية في جنوب إفريقيا وأوروبا باستخدام موجات VLF"، مجلة البحوث الجيوفيزيائية ، 97 (D16): 18215، رمز Bibcode : 1992JGR....9718215G ، doi : 10.1029/92JD01623
  18. ↑ أورفيل، ر. إي. (1995)، "الكشف عن البرق من الأرض والفضاء"، في فولاند، هـ. (محرر)، دليل الديناميكا الكهربائية للغلاف الجوي ، المجلد الأول، بوكا راتون، فلوريدا: مطبعة سي آر سي، الصفحات 137-149 ، رقم ISBN   9780849386473
  19. ↑ فريزر-سميث، أ.س. (1995)، "ضوضاء الراديو منخفضة التردد"، في فولاند، هـ. (محرر)، دليل الديناميكا الكهربائية للغلاف الجوي ، المجلد الأول، بوكا راتون، فلوريدا: مطبعة سي آر سي، الصفحات 297-310 ، رقم ISBN   9780849386473
  20. ↑ سبولدينغ، أ.د. (1995). "الضوضاء الجوية وتأثيراتها على أداء أنظمة الاتصالات". في فولاند، هـ. (محرر). دليل الديناميكا الكهربائية الجوية . المجلد الأول. بوكا راتون، فلوريدا: مطبعة سي آر سي. الصفحات 359-395 . ISBN   9780849386473.