Rádio atmosférico - Radio atmospheric
Um sinal atmosférico rádio ou sferic (às vezes também escrito "esférica") é uma banda larga eletromagnética impulso que ocorre como resultado de naturais atmosféricos relâmpago descargas. Sferics podem se propagar a partir de sua fonte de raios sem grande atenuação no guia de ondas da ionosfera Terra e podem ser recebidos a milhares de quilômetros de sua fonte. Em um gráfico de domínio de tempo, um sferic pode aparecer como um único pico de alta amplitude nos dados de domínio de tempo. Em um espectrograma , um sferic aparece como uma faixa vertical (refletindo sua banda larga e natureza impulsiva) que pode se estender de alguns kHz a várias dezenas de kHz, dependendo das condições atmosféricas.
Sferics recebidos de cerca de 2.000 quilômetros de distância ou mais têm suas frequências ligeiramente deslocadas no tempo, produzindo tweeks .
Quando a energia eletromagnética de um sferic escapa do guia de ondas da ionosfera da Terra e entra na magnetosfera , ela se dispersa pelo plasma próximo à Terra , formando um sinal de assobio . Como a fonte do assobiador é um impulso (isto é, o esférico), um assobiador pode ser interpretado como a resposta ao impulso da magnetosfera (para as condições naquele instante particular).
Introdução
Um canal de relâmpago com todas as suas ramificações e suas correntes elétricas se comporta como um enorme sistema de antenas a partir do qual ondas eletromagnéticas de todas as frequências são irradiadas. Além de uma distância onde a luminosidade é visível e o trovão pode ser ouvido (normalmente cerca de 10 km), esses impulsos eletromagnéticos são as únicas fontes de informações diretas sobre a atividade de tempestades no solo. Correntes elétricas transitórias durante os cursos de retorno (cursos R) ou cursos intracloud (cursos K) são as principais fontes para a geração de radiação eletromagnética do tipo impulso conhecido como sferics (às vezes chamado de atmosférica). Embora essa radiação impulsiva domine em frequências menores que cerca de 100 kHz (vagamente chamadas de ondas longas), um componente de ruído contínuo torna-se cada vez mais importante em frequências mais altas. A propagação eletromagnética de ondas longas de sferics ocorre dentro do guia de ondas da ionosfera da Terra entre a superfície da Terra e as camadas D e E ionosféricas . Os assobiadores gerados por raios podem se propagar na magnetosfera ao longo das linhas de força geomagnéticas . Finalmente, os raios ou sprites da alta atmosfera , que ocorrem em altitudes mesosféricas, são fenômenos de colapso elétrico de vida curta, provavelmente gerados por eventos de raios gigantes no solo.
Propriedades da fonte
Parâmetros básicos do curso
Em um curso nuvem-solo típico (curso R), carga elétrica negativa (elétrons) da ordem de Q ≈ 1 C armazenada dentro do canal de relâmpago é baixada para o solo dentro de um intervalo de tempo de impulso típico de τ = 100 μs. Isso corresponde a uma corrente média fluindo dentro do canal da ordem de J ≈ Q ⁄ τ = 10 kA. A energia espectral máxima é gerada perto das frequências de f ≈ 1 ⁄ τ = 10 kHz, ou em comprimentos de onda de λ = c ⁄ f ≈ 30 km (onde c é a velocidade da luz). Em cursos K intracloud típicos, carga elétrica positiva da ordem de Q ≈ 10 mC na parte superior do canal e uma quantidade equivalente de carga negativa em sua parte inferior neutraliza dentro de um intervalo de tempo típico de τ ≈ 25 μs. Os valores correspondentes para corrente elétrica média, frequência e comprimento de onda são J ≈ 400 A, f ≈ 40 kHz e λ ≈ 7,5 km. A energia dos golpes K é em geral duas ordens de magnitude mais fraca do que a energia dos golpes R.
O comprimento típico dos canais de raios pode ser estimado em cerca de ℓ ≈ 1/4λ = 8 km para R-strokes e ℓ ≈1/2λ = 4 km para K-strokes. Freqüentemente, um componente de corrente contínua flui entre sucessivos R-strokes. Seu tempo de "pulso" normalmente varia entre cerca de 10-150 ms, sua corrente elétrica é da ordem de J ≈ 100 A, correspondendo aos números de Q ≈ 1–20 C, f ≈ 7–100 Hz e λ ≈ 3– 40 mm. Tanto os R-strokes quanto os K-strokes produzem sferics vistos como uma forma de onda de impulso coerente dentro de um receptor de banda larga sintonizado entre 1–100 kHz. A intensidade do campo elétrico do impulso aumenta até um valor máximo em alguns microssegundos e depois diminui como um oscilador amortecido. A orientação do aumento da intensidade do campo depende se é uma descarga negativa ou positiva
A parte visível de um canal de relâmpago tem um comprimento típico de cerca de 5 km. Outra parte de comprimento comparável pode estar oculta na nuvem e pode ter um ramo horizontal significativo. Evidentemente, o comprimento de onda dominante das ondas eletromagnéticas de cursos R e K é muito maior do que o comprimento de seus canais. A física da propagação das ondas eletromagnéticas dentro do canal deve, portanto, ser derivada da teoria da onda completa, porque o conceito de raio se desfaz.
Corrente do canal elétrico
O canal de um curso R pode ser considerado como um fio fino isolado de comprimento L e diâmetro d no qual carga elétrica negativa foi armazenada. Em termos de teoria do circuito elétrico , pode-se adotar um modelo simples de linha de transmissão com um capacitor , onde a carga é armazenada, uma resistência do canal e uma indutância simulando as propriedades elétricas do canal. No momento do contato com a superfície perfeitamente condutora da Terra, a carga é baixada para o solo. Para cumprir as condições de contorno no topo do fio (corrente elétrica zero) e no solo (voltagem elétrica zero), apenas os modos de ondas ressonantes estacionárias podem sair. O modo fundamental que transporta a carga elétrica para o solo de forma mais eficaz tem, portanto, um comprimento de onda λ quatro vezes o comprimento do canal L. No caso do curso K, o limite inferior é o mesmo que o limite superior. Claro, esta imagem é válida apenas para o modo de onda 1 (antena λ / 4) e talvez para o modo 2 (antena λ / 2), porque esses modos ainda não "sentem" a configuração contorcida do canal de relâmpago real. Os modos de ordem superior contribuem para os sinais ruidosos incoerentes na faixa de frequência superior (> 100 kHz).
Função de transferência do guia de ondas da ionosfera Terra
Sferics pode ser simulado aproximadamente pelo campo de radiação eletromagnética de uma antena dipolo hertziana vertical . A amplitude espectral máxima do sferic normalmente é próxima a 5 kHz. Além desse máximo, a amplitude espectral diminui em 1 / f se a superfície da Terra estiver conduzindo perfeitamente. O efeito do aterramento real é atenuar as frequências mais altas com mais força do que as frequências mais baixas ( onda terrestre de Sommerfeld ).
Os traços R emitem a maior parte de sua energia dentro da faixa ELF / VLF ( ELF = frequências extremamente baixas, <3 kHz; VLF = frequências muito baixas, 3–30 kHz). Essas ondas são refletidas e atenuadas no solo e também na camada D ionosférica, perto de 70 km de altitude durante o dia e perto de 90 km de altura durante a noite. A reflexão e a atenuação no solo dependem da frequência, distância e orografia . No caso da camada D ionosférica, depende, além disso, da hora do dia, da estação do ano, da latitude e do campo geomagnético de maneira complicada. A propagação de VLF dentro do guia de ondas da ionosfera Terra pode ser descrita pela teoria dos raios e pela teoria das ondas.
Quando as distâncias são inferiores a cerca de 500 km (dependendo da frequência), a teoria dos raios é apropriada. A onda terrestre e a onda do primeiro salto (ou céu) refletidas na camada D ionosférica interferem uma na outra.
Em distâncias superiores a cerca de 500 km, as ondas do céu refletidas várias vezes na ionosfera devem ser adicionadas. Portanto, a teoria do modo é aqui mais apropriada. O primeiro modo é menos atenuado dentro do guia de ondas da ionosfera Terra e, portanto, domina distâncias maiores que cerca de 1000 km.
O guia de ondas da ionosfera Terra é dispersivo. Suas características de propagação são descritas por uma função de transferência T (ρ, f) dependendo principalmente da distância ρ e da freqüência f. Na faixa de VLF, apenas o modo um é importante em distâncias maiores do que cerca de 1000 km. A menor atenuação deste modo ocorre em cerca de 15 kHz. Portanto, o guia de ondas da ionosfera Terra se comporta como um filtro passa-banda, selecionando esta banda de um sinal de banda larga. O sinal de 15 kHz domina a distâncias superiores a cerca de 5000 km. Para ondas ELF (<3 kHz), a teoria dos raios torna-se inválida e apenas a teoria do modo é apropriada. Aqui, o modo zero começa a dominar e é responsável pela segunda janela em distâncias maiores.
Ondas ressonantes desse modo zero podem ser excitadas na cavidade do guia de ondas da ionosfera da Terra, principalmente pelos componentes contínuos da corrente do relâmpago fluindo entre dois golpes de retorno. Os seus comprimentos de onda são fracções integrais da circunferência da Terra, e as suas frequências de ressonância, portanto, pode ser aproximadamente determinada pela f m ≃ mc / (2π um ) ≃ 7,5 m Hz (com m = 1, 2, ...; um raio da Terra e c a velocidade da luz). Esses modos ressonantes com sua frequência fundamental de f 1 ≃ 7,5 Hz são conhecidos como ressonâncias de Schumann .
Monitorando a atividade da tempestade com sferics
Cerca de 100 raios por segundo são gerados em todo o mundo animado por tempestades localizadas principalmente nas áreas continentais em latitudes baixas e médias. Para monitorar a atividade da tempestade, os sferics são os meios apropriados.
As medições das ressonâncias de Schumann em apenas algumas estações ao redor do mundo podem monitorar a atividade global de raios muito bem. Pode-se aplicar a propriedade dispersiva do guia de ondas da ionosfera da Terra medindo a velocidade do grupo de um sinal esférico em diferentes frequências junto com sua direção de chegada. A diferença de atraso do grupo de frequências vizinhas na banda VLF inferior é diretamente proporcional à distância da fonte. Como a atenuação das ondas VLF é menor para propagação de oeste para leste e durante a noite, a atividade de tempestades em distâncias de cerca de 10.000 km pode ser observada para sinais que chegam do oeste durante as condições noturnas. Caso contrário, o alcance da transmissão é da ordem de 5.000 km.
Para o alcance regional (<1.000 km), a forma usual é encontrar a direção magnética, bem como as medições de tempo de chegada de um sinal esférico observado simultaneamente em várias estações. A presunção de tais medições é a concentração em um impulso individual. Se alguém mede vários pulsos simultaneamente, a interferência ocorre com uma frequência de batimento igual ao tempo de sequência média inversa dos pulsos.
Ruído atmosférico
A relação sinal-ruído determina a sensibilidade e sensibilidade dos sistemas de telecomunicações (por exemplo, receptores de rádio). Um sinal analógico deve claramente exceder a amplitude do ruído para se tornar detectável. O ruído atmosférico é uma das fontes mais importantes para a limitação da detecção de sinais de rádio.
As correntes constantes de descarga elétrica em um canal de relâmpago causam uma série de impulsos incoerentes em toda a faixa de frequência, cujas amplitudes diminuem aproximadamente com a frequência inversa. Na faixa ELF, o ruído técnico de 50–60 Hz, o ruído natural da magnetosfera , etc. domina. Na faixa de VLF, existem os impulsos coerentes dos cursos R e K, aparecendo do ruído de fundo. Além de cerca de 100 kHz, a amplitude do ruído torna-se cada vez mais incoerente. Além disso, ruídos técnicos de motores elétricos, sistemas de ignição de automóveis, etc., são sobrepostos. Finalmente, além da banda de alta frequência (3-30 MHz), o ruído extraterrestre (ruído de origem galáctica, ruído solar) domina.
O ruído atmosférico depende da frequência, localização e hora do dia e do ano. As medições mundiais desse ruído são documentadas em relatórios CCIR.
Veja também
- Surto de tornado nas Grandes Planícies em 1955
- Cluster One , uma faixa do Pink Floyd usando sferics e refrão do amanhecer como abertura
Notas de rodapé