Stulecie badań pól elektromagnetycznych ELF

Transkrypt

1 Obserwatorium Astronomiczne UJ Zakład Fizyki Wysokich Energii Akademia Górniczo-Hutnicza Katedra Elektroniki Andrzej Kułak Stulecie badań pól elektromagnetycznych ELF (w niewielkim stopniu zmieniona wersja wykładu wygłoszonego w Warszawie 21 listopada 2007 na konferencji Stowarzyszenia Elektryków Polskich)

2 ELF fale elektromagnetyczne ekstremalnie niskiej częstotliwości częstotliwości: Hz długości fal: km Extremely Low Frequency - ELF: Hz metody detekcji: krótkie dipolowe anteny elektryczne i magnetyczne szerokopasmowe układy odbiorcze metody generacji: źródła naturalne - atmosfery, jonosfery i magnetosfery planet sztuczne - nadajniki + anteny + sterowanie procesami geofizycznymi

3 Współczesne działy badań w zakresie ELF badania pół naturalnych ELF i ich źródeł badania propagacji fal ELF w falowodzie Ziemia - jonosfera radiokomunikacja generacji fal ELF poprzez sterowanie procesami geofizycznymi monitoring elektromagnetyczny planety

4 WaŜniejsze daty w historii badań ELF A. N. Kenelly, T. A. Edison - nieudana próba detekcji emisji Słońca W. O. Schumann - rozwiązania równań pola dla wnęki Ziemia - jonosfera odkrycia pól rezonansowych generowanych we wnęce magnetosferycznej M. Balser, C. A. Wagner - pierwsza obserwacja rezonansu Schumanna modele wnęki tłumionej badania nad propagacją w falowodzie Ziemia - jonosfera S. V. Polyakov - teoria rezonansu fal Alfvena w jonosferze powstanie systemu radiowej łączności globalnej P. P. Belyaev - pierwsza obserwacja rezonansu fal Alfvena w jonosferze E. R. Williams - zastosowanie rezonansu Schumanna do badań klimatycznych początek badań wpływu pogody kosmicznej na stan rezonansu Schumanna globalny monitoring aktywności elektromagnetycznej planety

5 A. N. Kenelly - idea pierwszego eksperymentu ELF załoŝenia: istnieją fale elektromagnetyczne - H. Hertz Słońce promieniuje fale elektromagnetyczne w szerokim zakresie Słońce promieniuje fale elektromagnetyczne w zakresie ELF obserwacja w zakresie ELF jest wykonalna technicznie emisja pola elektromagnetycznego ELF ze Słońca uczestnicy projektu: A. K. Kenelly - twórca hipotezy o istnieniu jonosfery ziemskiej T. A. Edison - sprzęt laboratoryjny, finansowanie badań E. S. Holden - konsultacja astronomiczna (obserwatorium Licka)

6 A. N. Kenelly, T. A. Edison - konstrukcja radioteleskopu ELF emisja pola elektromagnetycznego ELF ze Słońca 7 zwojowa antena ferrytowa złoŝe rudy Ŝelaza w New Jersey odbiornik ELF - słuchawka telefoniczna

7 A. N. Kenelly, T. A. Edison - przyczyny poraŝki wokół Ziemi istnieje jonosfera zasłaniająca Słońce (Kenelly - odkrycie 1901) odbiornik zbyt mało czuły by rejestrować świsty (VLF - odkrycie 1953) dygresja: próbę wysokoczęstotliwościową (VHF) odbioru promieniowania Słońca podjął w 1894 r. O. Lodge zestaw odbiorczy: antena pętlowa Hertza + koherer wynik: negatywny - zbyt mała czułość urządzenia (pierwsza rejestracja )

8 N. Tesla - pierwsza transmisja w zakresie ELF łączność ELF na antenach krótkich US patent US patent

9 Pokaz przekazu energii w Colorado Springs wieŝa nadawcza wieŝa odbiorcza Φ 0.5 [m] h 40 [m] TX f 1200 [Hz] RX λ 250 [km] r 40 [km]

10 Układ strojeniowy anteny TX w Colorado Springs

11 Badania pól naturalnych ULF/ELF przerwa w badaniach pól ELF W. O. Schumann - rozwiązania dla wnęki Ziemia - jonosfera odkrycia pól rezonansowych generowanych we wnęce magnetosferycznej M. Balser, C. A. Wagner - pierwsza obserwacja rezonansu Schumanna T. Madden - model dwuwymiarowej propagacji w falowodzie Ziemia - jonosfera badania nad propagacją w falowodzie Ziemia - jonosfera S. V. Polyakov - teoria rezonansu fal Alfvena w jonosferze P. P. Belyaev - pierwsza obserwacja rezonansu fal Alfvena w jonosferze E. R. Williams - zastosowanie rezonansu Schumanna do badań klimatycznych OA UJ - ustalenie wpływu cyklu aktywności Słońca na rezonans Schumanna

12 M. Balser, C. A. Wagner - pierwsza obserwacja rezonansu Schumanna Nature, 188, 638, 1960 IBM 709 h 30[m] 90[Hz] 12[min] T 35[Hz] > LPF > A/ C Tape lampowy 6 bit / lampowy lampowy

13 WaŜniejsze etapy w historii badań rezonansu Schumanna W. O. Schumann - rozwiązania równań pola we wnęce Ziemia - jonosfera odkrycia pól naturalnych ULF generowanych w magnetosferze Ziemi M. Balser, C. A. Wagner - pierwsza obserwacja rezonansu Schumanna - I etap badań - badania propagacji w falowodzie Ziemia - jonosfera odkrycie Q - burstów powstanie systemu radiokomunikacji globalnej ELF nie jawny nurt badań E. R. Williams - pierwsza praca aplikacyjna RS - badanie tropików - II etap badań - badania geofizyczne, klimatyczne i kosmiczne

14 Współczesne obserwacje pól naturalnych w zakresie ELF anteny w przestrzeni kosmicznej (DEMETER) stacje obserwacyjne na powierzchni Ziemi Aso ϕ = 33 0 N λ= E Fairbanks ϕ = 63 0 N λ= E Kharkov ϕ = 50 0 N λ= 37 0 E Tottori ϕ = 35 0 N λ= E Rhode Island ϕ = 47 0 N λ= 71 0 E North Pole ϕ = 89 0 N λ= 00 0 E Nagycenk ϕ = 47 0 N λ= 17 0 E OA UJ ϕ = I N λ= I E

15 Co się bada? pomiar parametrów rezonatorów pomiar źródeł w rezonatorach moŝna testować modele rezonatorów parametry fizyczne ścian wpływ czynników na ściany detektor - typ I fizyka źródeł modele źródeł mapy aktywności detektor - typ II szeroki zakres informacji o atmosferze, jonosferze i stanie przestrzeni kosmicznej monitoring planety

16 Rozwój radiokomunikacji w zakresie ELF W. Preece - telegraf indukcyjny bez drutu - 8 km N. Tesla - udany eksperyment na dystansie 40 km G. Marconi - łączność przez Atlantyk - odkrycie jonosfery N. Tesla - patent na bezprzewodowe przesyłanie energii w zakresie ELF W. O. Schumann - idea łączności globalnej w zakresie ELF? W. O. Schumann - rozwiązanie równań pola we wnęce Ziemia - Jonosfera M. Balser - obserwacja rezonansu Schumanna badania propagacji fal ELF w falowodzie Ziemia - jonosfera pomysł budowy systemu radiokomunikacji w zakresie ELF realizacja projektu Sangine (IEEE 1974) start systemu Seafarer - 76 Hz inicjacja systemu Zevs - 82 Hz

17 Radiokomunikacyjne parametry falowodu Ziemia - jonosfera pole nie wnika głębiej niŝ do do warstw D i E ( km) wysokość warstw odbijających < λ/2 (aŝ do 1500 Hz) propagacja falowodowa 1 modowa (dwuwymiarowa linia transmisyjna) parametry propagacji zaleŝne od częstotliwości (wpływ głębokości wnikania) małe średnie współczynniki tłumienie: 0.3 db/mm - 10 Hz, 1.2 db/mm Hz mała prędkość fazowa: 0.75 c 0.85 c bardzo stałe warunki propagacji (zmiany dobowe tłumienia rzędu 1%) mała róŝnica tłumienia pomiędzy trasą dzienną a nocną mała zaleŝność współczynnika tłumienia od szerokości geo (ale strefa zorzowa) duŝa stałość propagacji w cyklu słonecznym ( zmiany ok. 5 %)

18 Anteny nadawcze w zakresie ELF horyzontalny dipol magnetyczny - HDM horyzontalny dipol magnetyczny l uziemienie 1 uziemienie 2 drut uziemienia 1 w I 0 cos ωt w drut uziemienia 2 umowna droga prądu w gruncie m = I 0 l w moment magnetyczny anteny w = δ δ 2 1 ω głębokość wnikania pola do gruntu

19 Propagacja ELF w falowodzie Ziemia - jonosfera h m ϕ = 0 r θ H y E z B( r) m h 1 r e αr faktor anteny faktor rozpraszania faktor strat energii

20 Bilans energetyczny łącza radiowego w zakresie ELF moc nadawana moc odbierana h P t =1 [MW] m r = [km] P r = [W] f = 100[Hz] P r min = kt( F 1) f sprawność anteny nadawczej sprawność falowodu sprawność anteny odbiorczej η t η k η r bilans energii Pr P t = t k r η η η S N 238 db =12.8 [db] (obliczenia dla anteny magnetycznej l = 3) m

21 System łączności Seafarer - 76 Hz dwa nadajniki: WTF (Wisconsin Transmitter Facility) MTF (Michigen Transmitter Facility) σ g w 2.6[km] l 22.5[km] I = 300[A] [S/m] λ = 3.95[Mm] m [A] 22.5[km] 2.6 [km] = [A m 2 ] r r =10 000[km] = [km] S N S N =12.8[dB] = 22.8 [db] parametry systemu

22 System Seafarer [strona SEAFARER]

23 nadajnik: KPTH (półwysep Kola) System łączności Zevs - 82 Hz σ g 10-5 [S/m] warstwa podwójna h g σ d w h g 10[km] l 55[km] I 10[km] 10-3 = 200[A] [S/m] λ = 3.65[Mm] σ g σ d >> σ g h g w h g m 200[A] 55[km] 10[km] = [A m 2 ] r =10 000[km] r = 20 00[km] S N S N = 22.3[dB] = 31.6 [db] parametry systemu

24 Łączność z obiektami podwodnymi w zakresie ELF

25 Praca systemów radiowych ELF pod wodą d B ϕ (0) ocean na 100 Hz σ δ T 3[S/m] 25[m] d = 8.69 δ [db] pole osiągane na powierzchni na km B( 0) = [pt] d = 300 m tłumienie na 300 m T = 104.3[dB] pole w oceanie B( 300) = [pt] antena magnetyczna 3 m B n = [pT] osiągane d 200 m

26 Nowe metody generacji pól ULF/ELF 1962 zdetonowanie ładunku jądrowego w atmosferze - emisja ELF 1968 wynalazek ziemnej anteny nadawczej ELF 1974 Bannister - stacje beconowe do pomiarów propagacji w zakresie ELF 1978 powstanie pierwszego systemu łączności ELF 1986 Ganguly - pierwszy eksperyment luxemburski w zakresie ELF 1986 odkrycie rezonansu fal Alfvena w jonosferze - IAR 1990 McCarric - idea wzbudzania 8 Hz poprzez modulację prądu zorzowego 1995 początek projektu HAARP 1996 pierwszy naziemny eksperyment aktywny ULF 2003 finalne stadium projektu HAARP

27 Generacja ELF drogą mieszania pól HF w jonosferze S. Ganguly - Rice University, Houston - Arecibo Observatory (współczesna wersja eksperymentu luxemburskiego) F D 300 km HF HF ELF f 1 = Hz P = 400 kw G = 25 db f 2 - f 1 = 5 Hz B = 0.16 pt Hz -1/2 f 2 = Hz P = 400 kw G = 25 db

28 Zjawisko luksemburskie 1935 zjawisko luksemburskie zjawisko przeniesienia modulacji 2 1 F 300 km LF1 LF2 LF1 słaba stacja 1 silna stacja 2 słuchacz stacji 1

29 Wyniki eksperymentu Ganguly

30 Idea grzania elektrojetu polarnego I 10 6 [A] grzany region nadajnik HF 2.8 do 10 MHz

31 Eksperymenty na podgrzewaczach jonosfery TROMSO - pierwsza instalacja ARECIBO SURA HAARP 20XX - HISCAT

32 Projekt HAARP High frequency Active Auroral Research Project nadajnik antena f = MHz P = 3.6 MW N = 360 nadajników 10 kw indywidualne przesuwniki fazowe CW/AM/PM do 5 khz G = 31 db/10 MHz P IRP = 3600 MW N = 15 x 12 = 180 anten skrzyŝowanych metoda przesuwania wiązki - fazowa minimalna szerokość wiązki ok. 5 o S = 30 mw/m 2 / 100 km / 10 MHz McCarric M. J., Sentman D. D., et. Al., Excitation of ELF waves in the Schumann resonance range by modulated HF heating of the polar electrojet, Radio Sci., v. 25, n. 6, pp , 1990 koszt projektu: ok. 3e8 USD

33 Eksperymenty na podgrzewaczu HAARP prowadzone są 2 rodzaje badań: grzanie jonosfery grzanie elektrojetu polarnego sposób modulacji nadajnika HF: AM, PM [strona HAARP]

34 Grzanie elektrojetu polarnego - HAARP [strona HAARP]

35 Michał Ostrowski Adam Michalec dziękujemy za uwagę Andrzej Kułak Stanisław Zięba Jerzy Kubisz Piotr Koperski Anna Odzimek Janusz Młynarczyk Zenon Nieckarz