Badania fal elektromagnetycznych ELF na powierzchni Ziemi

Transkrypt

1 Akademia Górniczo-Hutnicza Katedra Elektroniki Andrzej Kułak Badania fal elektromagnetycznych ELF na powierzchni Ziemi Instytut Fizyki PAN Warszawa 26 czerwca 2019

2 Fale elektromagnetyczne ekstremalnie niskiej częstotliwości - ELF są to fale radiowe o częstotliwościach od 3 do 3000 Hz (ELF) Bardzo Niskie Częstotliwości BNC (skrót nie stosowany) Extremely Low Frequency ELF częstotliwości ELF nie są stosowane w radiokomunikacji cywilnej licencje są wydawane w zakresie 9 khz 300 GHz są używane w radiokomunikacji wojskowej (76 Hz) i 82 Hz odgrywają dużą rolę w badaniach zjawisk naturalnych

3 Badania związane z zakresem fal ELF Extremely Low Frequency: Hz badania warstw D i E jonosfery ziemskiej badania wpływu czynników kosmicznych na wnękę Ziemia jonosfera badania pól rezonansowych we wnęce badania egzotycznych wyładowań atmosferycznych monitoring aktywności sejsmicznej czasoprzestrzenne śledzenie aktywności elektromagnetycznej Ziemi precyzyjne badanie zjawisk klimatycznych na Ziemi przygotowania do badania gruntu i atmosfery Marsa

4 Plan wystąpienia krótki wstęp historyczny falowód grunt-jonosfera, wnęka Ziemia-jonosfera, rezonans Schumanna metody obserwacji fal ELF naturalne źródła fal ELF przegląd aktualnych badań prowadzonych w zakresie ELF ziemskie pola ELF a detekcja fal grawitacyjnych

5 Jak doszło do badań w zakresie ELF? jest to ostatni zakres fal elektromagnetycznych którym zajęli się fizycy 1886 Heinrich Hertz potwierdza istnienie fal EM 600 MHz (fale ultrakrótkie - SHF) 1895 Guglielmo Marconi pionier radiokomunikacji 35 MHz (fale ultrakrótkie - VHF) 1901 Guglielmo Marconi udana łączność przez Atlantyk 80 khz (fale długie - LF)

6 1886 I eksperyment Hertza nadajnik l dipol półfalowy l = λ 2 częstotliwość f 500 MHz długość dipola l= 30 cm } 50 MHz 3 m 50 khz 3 km 500 Hz 300 km jak eksperymentować w zakresie ELF?

7 II eksperyment Hertza pojawia się pomysł skracania anten nadajnik r 10 m odbiornik częstotliwość f 50 MHz moc 10 W laboratorium w Karlsruhe

8 W kierunku ELF - kolejne etapy skracania rezonansowych anten nadawczych l = λ 2 C l < λ 2 l = λ 4 l < λ 4 l << λ 4 C L L C Hertz Hertz Abraham Abraham + Lodge Abraham + Lodge + Hertz

9 Wczesne eksperymenty seria niepowodzeń Nikola Tesla inżynier serbskiego pochodzenia ( ) eksperymentuje nad generacją i przekazem energii w zakresie ELF Arthur Edwin Kennelly inżynier amerykański ( ) dokonuje próby radioastronomii Słońca w zakresie fal ELF

10 N. Tesla udany pokaz przekazu energii w Colorado Springs współczynnik skrócenia anteny: 625 D 0.5[m] kule Maxwella h 40[m] cewki Lodge a f 1200[Hz] λ 250[km] r 42 [km] strefa bliska ale to nie były fale ELF to były pulsacje pola w strefie bliskiej (pole coulombowskie)

11 1890 A. E. Kennelly - próba radioastronomii Słońca w zakresie ELF projekt zrealizowany przez Laboratorium Edisona emisja fal elektromagnetycznych ELF ze Słońca 7 zwojowa antena ferrytowa złoże rudy żelaza w New Jersey odbiornik ELF - słuchawka telefoniczna

12 1901 G. Marconi przeprowadza łączność radiową przez Atlantyk eksperyment był stanowczo odradzany przez fizyków (nonsens + koszt) dyfrakcja fal na powierzchni kuli warstwa odbijająca fale 80 khz 1600 km 3600 km Arthur Edwin Kennelly i Oliver Heaviside wysuwają hipotezę istnienia jonosfery wyjaśnia to porażkę radioastronomii Słońca w zakresie ELF na 50 lat porzucono eksperymenty w zakresie ELF

13 Dzisiejszy punkt widzenia - wyjątkowość zakresu ELF wylano dziecko z kąpielą zakres fal ELF jest propagacyjnie wyróżniony na planetach posiadających atmosfery ich górne warstwy są zawsze na tyle zjonizowane że odbijają fale ELF jonosfera w połączeniu z gruntem tworzy falowód Grunt Jonosfera (G-J) jonosfera leży na wysokości znacznie mniejszej niż długość fali to sprawia, że tłumienie fal ELF w falowodach G-J jest bardzo małe nie konkuruje pod tym względem żaden inny zakres częstotliwości fal EM

14 Fizyka falowodu Grunt-Jonosfera wysokość falowodów planetarnych w zakresie ELF jest zawarta w granicach km jest w szerokim zakresie częstotliwości mniejsza od połowy długości fal ELF na Ziemi λ >h 2 f <1500 Hz fale TEM jonosfera linia paskowa - mikrofale atmosfera grunt h h równania Maxwella zmienne E i H równania obwodowe Kirchoffa zmienne U, I równanie falowe Kleine-Gordona [Madden, Thompson, 1965]

15 1952 przełom - publikacja W. O. Schumanna o wnęce Ziemia-jonosfera Winfried Otto Schumann ( ) Uniwersytet Monachijski publikuje rozwiązanie równań pola we wnęce rezonansowej Ziemia-jonosfera h a h << a = c f n( 1) 2 a n+ n π dla Ziemi częstotliwości własne: f = f 2 =18. 4 f 3 =26.0 [Hz]

16 Wczesny okres badań w zakresie ELF W. O. Schumann - próżniowe rozwiązania równań pola w idealnej wnęce sferycznej 1956 US Navy zdradza duże zainteresowanie zakresem ELF inicjuje projekt Pangloss M. Balser, C. A. Wagner z MIT przeprowadzają obserwację rezonansu Schumanna szereg fizyków angażuje się w prace Pangloss 1962 do 1989 powstaje kilkadziesiąt prac opublikowanych w obiegu niejawnym 1968 początek programu Sangine projekt globalnego systemu łączności ELF 1981 rusza SEAFARRER - pierwszy globalny system łączności radiowej na 76 Hz SEAFARER (Surface ELF Antenna For Addressing Remotely Employed Receivers)

17 udana obserwacja rezonansu Schumanna na Pustyni Meksykańskiej Nature, 188, 638, Hz 14Hz 20Hz 2.5h IBM709 MIT Lincoln Laboratory h 30m 90Hz T 35Hz > LPF > ADC Tape 12min lampowy 6 bit / lampowy lampowy

18 1960 kłopotliwe rozbieżności pomiędzy teorią a obserwacją h a h <<a = c f n( 1) 2 a n+ n π dla Ziemi częstotliwości własne: f 1 =10.6 f 2 =18.4 f 3 =26.0 [Hz] obserwowane częstotliwości rezonansowe Q 1 4 Q 5 1 Q 1 6 f r1 8[Hz] f r2 14 f r3 20

19 Co pompuje rezonans Schumanna? źródło - wyładowania elektryczne w atmosferze wyładowania atmosferyczne na Ziemi w kolejności częstości występowania: częstość skala energii CG - - ujemne chmura grunt 50 / s 1 CI - wewnątrzchmurowe 10 CG + - dodatnie chmura grunt 2 / min 100 IC wyładowanie chmura jonosfera (SPRITE) 1 / godz 1000 IC - typu Gigantic Jet (GJ) 1 / miesiąc

20 Wyładowania ujemne chmura grunt (CG - ) 15 km km wewnątrz komórek burzowych zachodzi separacja ładunków - mechanizm prądnicy na dole gromadzą się ładunki ujemne co prowadzi do dużej różnicy V dochodzi do przebicia powietrza i gwałtownego rozładowania chmury w typowej chmurze burzowej wyładowanie jest możliwe co kilka sekund na Ziemi stale działa ok burz daje to ok. 50 wyładowań CG - / sekundę

21 Wyładowania ujemne CG - jako źródła fal ELF r =1000 km CG pojedynczy impuls ELF γ, n + l fale ELF, VLF, HF, VHF B 5pT q=2.5[c] typowy ładunek l =2.5 [km] długość kanału wyładowania W =10[MJ] τ =75 [ µ s] I =20000 max [A] zgromadzona energia elektrostatyczna czas rozładowania (wyładowanie udarowe) typowy prąd maksymalny (antenowy) Pem 100[W] chwilowa moc promieniowana w zakresie ELF (płaskie widmo)

22 Rezonans Schumanna - globalne pole rezonansowe globalna częstość wyładowań <λ >=50[1/s] średnia moc wyładowań <P>=1[GW] h a współczynnik konwersji energii na ELF średnia energia pola ELF we wnęce α =10 6 <W >=1000[J] czas zaniku energii pola we wnęce 1[s] średnia moc pompowania 1 rezonansu <P>=1000[W] amplituda pierwszego modu 8 Hz ok. B 1 pt Hz moc odbierana przez antenę ELF [W]

23 Widmo amplitudy rezonansu Schumanna 1 pt Hz 8 Hz Hz 50 Hz Hylaty 14 Hz uśrednianie 1 h Amp n= Hz 3 26 Hz 32 Hz Hz 6 44 Hz Freq [Hz] Hz kolorowy proces gaussowski o czasie koherencji 1 s

24 Dygresja - inna konsekwencja występowania wyładowań ujemnych na Ziemi + + zwykłe komórki h 85 km V CG - potencjał jonosfery V pojemność jonosfery 1.8 F zgromadzony ładunek C E 0 = 120 V/m R [1927 -C. T. R. Wilson Nagroda Nobla] oporność upływu Ω moc cieplna upływu wydzielana w atmosferze 400 MW prąd upływu 1360 A

25 Inna konsekwencja - dzięki naładowanej jonosferze możliwe są wyładowania V V h 85 km zwykła komórka E 0 CG - mechanizm separacji ładunku w chmurze burzowej zachodzi dzięki istnieniu pola E [MacGormanand Rust, 1998]

26 II etap badań fal ELF ************************************************** I etap 1960 pierwsza obserwacja MIT 1962 do 1972 podstawowe prace modelowe falowodu grunt-jonosfera i wnęki Z-J 1987 pierwszy globalny system łączności radiowej - 76 Hz ************************************************** II etap E. R. Williams MIT amplituda 1 modu rezonansu Schumanna jako globalny wskaźnik temperatury 1991 do inne zespoły 1992 początek badań krakowskich

27 Główne ośrodki zajmujące się badaniami fal ELF od MIT - Lincolm Laboratory E. Williams Rhode Island od Hungary G. Satori Nagycenk od Polska GRS Hylaty od Israel C. Price Mitzpe Ramon od Japan M. Hayakawa Moshiri Grupa Rezonansu Schumanna Andrzej Kułak AGH + OA UJ Sławomir Kłucjasz Jerzy Kubisz OA UJ Joanna Kozakiewicz OA UJ Volodya Marchenko OA UJ Adam Michalec OA UJ Janusz Młynarczyk AGH Zenon Nieckarz IF UJ Anna Odzimek IGF PAN Warszawa Michał Ostrowski OA UJ Stanisław Zięba OA UJ Obserwatorium Astronomiczne UJ ELF CTA 10 Hz Hz Katedra Elektroniki AGH

28 Obserwacje fal ELF

29 Jak silne są pola naturalne ELF na powierzchni Ziemi? pola elektryczne E: chmura burzowa linia wysokiego napięcia monitor tradycyjny stałe pole naturalne Ziemi zmienne naturalne pola Ziemi czułość receptorów biologicznych poziom szumu anten Hylaty V/m 10 4 V/m 300 V/m 100 V/m V/m = 150 µv/m 10-6 V/m = 1 µv/m 10-7 V/m = 0.1 µv/m pola magnetyczne B: duże elektromagnesy (EPR, NMR) 1 T pamięci magnetyczne - dyskietka 10-3 T = 1 mt ziemskie stałe pole magnetyczne T = 50 µt pole magnetyczne serca T = 100 pt zmienne naturalne pola Ziemi T = 1 pt spontaniczna aktywność mózgu T = 1 pt poziom szumu anten Hylaty T = 0.05 pt

30 Obserwacje fal ELF bardzo małe amplitudy porównywalne z polami biologicznymi 1 pt, 50 µv/m silne zakłócenia cywilizacyjne wyłączona prawie cała Europa centrum Błoń Krakowskich smog elektromagnetyczny x tło naturalne Puszcza Niepołomicka x ale już możliwość testowania anten Bieszczady w wybranych miejscach - 1 x pełna czystość elektromagnetyczna warunek nie ma w pobliżu żadnych siedzib ludzkich i sieci energetycznej 1992 pierwsza obserwacja rezonansu Schumanna w Bieszczadach obserwacje sporadyczne od 2005 stacja automatyczna - obserwacja ciągła

31 Stacja obserwacyjna Hylaty w Bieszczadach od 2005 roku x podziemne pole antenowe ELF AA1000 antena łącza UHF z y antena GPS 100 m odbiornik odbiornik ELF ELF układ akwizycji GPS TX ELŻBIETA kbit/s układ zasilania podziemne pomieszczenie stacji

32 Wejście do podziemi stacji Podziemne pole antenowe

33 Pomieszczenie stacji / anteny magnetyczne ELF

34 Charakterystyki kierunkowe anten - wyznaczanie azymutu źródła anteny mają ósemkowe charakterystyki kierunkowe (krótki dipol Hertza) x północ geograficzna - N b x =bsinα antena x α fala EM b y =bcosα antena y y wschód - E można wyznaczać azymut źródła b tgα = b x y

35 Odbiorniki ELA stosowane w badaniach krakowskich ELA7 ELA9 ELA10 [2014 Radio Science]

36 300 sekundowy plik standardowy czas [s] amplituda [pt] przebieg sygnału ELF obserwowanego w paśmie 30 mhz do 300 Hz obserwuje się dwie ortogonalne składowe magnetyczne pola B x, B y obserwacja jest ciągła ale dzielona na pliki 300 sekundowe dynamika zapisu - 16 bit błąd czasu µs identyfikacja zjawisk prowadzona jest przy pomocy specyficznych metod analizy

37 Co się obserwuje? ULF niski: Hz (zakres - Pc3) PC - Continuous Pulsationas impulsy wzbudzane w magnetosferze rezonans fal Alfvena w magnetosferze ULF wysoki: Hz (zakres Pc2 - Pc1) generacja maserowa w magnetosferze - wzmacnianie paczek falowych rezonans fal Alfvena w jonosferze ELF niski: Hz (SR) SR - Schumann Range impulsy wzbudzane w atmosferze (wyładowania doziemne i dojonosferyczne) rezonans fal elektromagnetycznych w falowodzie Ziemia - jonosfera ELF wysoki: Hz impulsy wzbudzane w atmosferze (wyładowania doziemne i dojonosferyczne)

38 Zasoby obserwacyjne GRS od 1993 wysokiej jakości materiał obserwacyjny w paśmie Hz wysokiej jakości filtry antyaliasingowe > 35 db na f s / 2 niski poziom szumu anten magnetycznych optymalna lokalizacja stacji obserwacyjnej plik standardowy 300 s obserwacje sporadyczne 50 ekspedycji kilkudniowych 10 tys. plików od 2005 obserwacja ciągła pasmo 30 mhz do 60 Hz - 2 składowe pola B 60 MB / doba 22 GB / rok od 2013 dodatkowo obserwacja ciągła pasmo 30 mhz do 300 Hz - 2 składowe B 300 MB / doba 110 GB / rok od 2015 dodatkowo stacje obserwacyjne Colorado i Patagonii system WERA od 2018 system europejski - pasmo 30 mhz do 900 Hylaty Wolin - Marsylia

39 Problemy z modelowaniem wnęki Ziemia Jonosfera - rezonans Schumanna

40 1960 kłopotliwe rozbieżności pomiędzy teorią a obserwacją h <<a a f n = c n( 1) 2 a n+ π antypody dla Ziemi częstotliwości własne: obserwowane częstotliwości rezonansowe: f = f = f 3 =26. 0 f r1 8 f r2 14 f r3 20 [Hz] [Hz] Q 5 Q Q 1 6

41 Modelowania wnęki Ziemia-Jonosfera wnęka okazała się dość trudnym obiektem elektrodynamicznym składają się na to różne przyczyny górna ściana jonosfera jest niejednorodna są komplikacje analityczne związane z silnym tłumieniem istnieje konieczność uwzględniania wpływu źródeł na rozkład pól

42 Kolejne etapy modelowania I - modelowanie wnęki uwzględniające metaliczny charakter przewodność jonosfery metoda faktoryzacji - równania Helmholtza wyjaśnia różnice pomiędzy częstotliwościami własnymi i rezonansowymi wnęki II modelowanie uwzględniające realistyczny profil pionowy przewodności jonosfery metoda faktoryzacji - równania Helmholtza daje dokładne wartości częstotliwości rezonansowych wnęki III modelowanie uwzględniające istnienie źródeł rozwiązania równania niejednorodnego - uwzględnienie stanów nieustalonych poprawne wyjaśnienie obserwowanego widma rezonansu Schumanna IV modelowanie oparte na idei rezonansu Fano uwzględnienie stanów nieustalonych związanych z przepływem energii ze źródła poprawne rozwiązania dla składowej rezonansowej pola we wnęce

43 Wczesne etapy I i II ogólne metody rozwiązywania rezonatorów wnękowych J. A. Stratton, Electromagnetic theory, 1941 P. H. Morse, H. Feshbach, Methods of theoretical physics, 1953 L. A. Wainstein, Electromagnetic Waves, 1958 J. D. Jackson, Classical electrodynamics, 1962, 1985 J. R. Wait, Electromagnetic Wave Theory, 1962, 1971 Z - J jako wnęka idealna W. O. Schumann, 1952 J. D. Jackson, 1982 (wydanie polskie monografii) Z - J jako wnęka z metaliczną jonosferą D. L. Jones, 1964 J. R. Wait, 1965 J. Galejs, 1972 P. V. Bliokh, 1977 D. D. Sentman, 1989, 1996

44 Wpływ metalicznego warunku brzegowego na częstotliwości rezonansowe wnęki 2 - przesunięcie dyspersyjne 1 - przesunięcie z powodu tłumienia Z(ω) 2 f n Q n frn = 2 f n f rn f n f impedancja powierzchniowa zależy od częstotliwości f 2 f 1 duży efekt - rzędu 30% dla Q=5 mały efekt - rzędu 0.5% dla Q=5 7.8[Hz] 10.5[Hz] 10.6[Hz]

45 Wpływ niejednorodności jonosfery - jaka jest wysokość falowodu G-J? h =? grunt problem długo pozostawał bez zadowalającej odpowiedzi przyjmowano wartości w zakresie od 50 do 100 km głębsza analiza prowadzi do wniosku że istnieją 2 wysokości

46 Wysokość elektryczna i magnetyczna falowodu G-J σ>ωε τ ( h) ω= 1 d ( h) = ε ω σ 0 σ<ωε h e h m σ = σ= na wysokości h e prąd przewodzenia zrównuje się z prądem przesunięcia h m jest to wysokość na którą pole H fali zdąży wdyfundować w czasie 1 okresu f =10 Hz h e 55 km f =10 Hz h m 95 km [Greifinger, and Greifinger, Radio Science, 1978]

47 Wysokości e i m są związane z parametrami linii paskowej G-J Greifinger, and Greifinger, model 3D } h m h e wysokości są zespolone prędkość fazowa c v ph = Re h h m e h e h m współczynnik tłumienia α = ω c Im h h m e V. V. Kirillov model 2D też ma 2 wysokości L R C G L C h = µ w ε w = 0 h e m } v ph 0.75c/10[Hz] α =3dB/Mm/ 10Hz

48 Modelowanie niejednorodnych linii paskowych z (z) H y (z) E z (z) E x fala w jonosferze 0 hei heg hmi hmg E 0z H 0y E 0x fala odniesienia na powierzchni k 0 σ 1 x (z) H y E z (z) (z) E x fale w warstwach gruntu σ 2 obliczenie wysokości h e i h m wymaga rozwiązań 3D w ośrodkach niejednorodnych o własnościach propagacyjnych decydują sumy wysokości w gruncie i jonosferze h e = h eg +h ei, h mg = h mi +h mi modelowanie to jest niezbędne w konstruowaniu rozwiązań odwrotnych (ma też związek z efektem Casimira) [2013, 2014, IEEE]

49 falowód Grunt Jonosfera na 10 Hz Liczby h mi =97.3[km] h mg =5[km] hei hmi h ei = 56.3[km] h eg =2.7[mm] heg hmg v ph c =0.83 mikrofalowa linia paskowa z Cu na 2 GHz he hm h δ =1[mm] δ h m h e = h+ 2δ = [mm] ε ω = h + 2 δ = σ 0 13 [mm] 2 δ = = 1.5[ µ m] µσ ω 0 v ph c =0.9970

50 Problemy modelowania jak funkcjonuje wnęka? h h a podejście falowodowe fale biegnące - propagacja fala tłumiona są rozwiązania analityczne propagacja impulsów jest domieszka tych rozwiązań podejście rezonatorowe fale stojące - pole rezonansowe węzły i strzałki są rozwiązania analityczne składowa rezonansowa pola we wnęce nie opisuje rezonansu Schumanna

51 Rozwiązana analityczne nie opisują obserwacji rezonansu Schumanna typowa obserwacja Hylaty maksima rezonansowe przesuwają się i są często niesymetryczne dlaczego? , 15:00-15:00 UT zmiany dobowe f r1 sięgają 0.5 Hz f1 [Hz] nie da się tego wytłumaczyć przestrajaniem wnęki (falowód Z J ma stałe parametry) hours typowa obserwacja dobowa na Hylatym (przytaczano liczne nonsensowne argumenty) [J. Geophys. Res., 2003b]

52 Podejrzenie istniejące rozwiązania pól we wnęce są zbyt uproszczone są oparte na metodzie separacji zmiennych = ( x) ϕ( x, t) ϕ a ( t) efekt: rozwiązanie takie eliminuje fale biegnące ze źródła n n ϕ n (x) rozkłady modalne wyznacza się z równania Helmholtza ewolucję w czasie opisują rozwiązania oscylatora a n (t) n jest to rozwiązanie nie fizyczne - nie da się wytworzyć składowej rezonansowej wymagało by to jednoczesnego pobudzenia rezonatora we wszystkich punktach poprawne rozwiązanie z pojedynczym źródłem ma nadal strukturę modalną, ale = n ϕ( x, t) ϕ ( x, t) n

53 Poprawny model niejednorodne równanie falowe ze źródłem ξ( θ, t) źródło θ =0 niejednorodne równanie falowe ze źródłem 2 ϕ ϕ τ 2 x t 1 v 2 2 ϕ 2 t = ξ( x, t) rozwiązaniami są funkcje Greena a ϕ(θ) θ =180 uwzględniające warunki brzegowe = L,,, ϕ( θ, t) G( θ, t, θ, t) ξ( θ, t) dθdθ rozwiązania można przedstawić w postaci sumy ϕ ( θ, t) = ϕ ( θ, t) + ϕ ( θ, t) tr res składowa transmisyjna składowa rezonansowa

54 Test podejrzeń model numeryczny wnęki GRS w celu weryfikacji podejrzeń powstał numeryczny FDTD wnęki Z-J SG1232 (SQ0005) - modele 2D linia transmisyjna na sferze : siatka geograficzna 15 0 x 45 0 (po 2007 roku x ) model temperowany - paski 2D o jednakowej powierzchni J = 370 węzłów, T = 752 linii 1 D (koncepcja zbliżona do metody TLM) zakres częstotliwości 4 54 Hz, model odtwarza 7 modów rezonansowych dziedzina: czas lub częstotliwość ilość źródeł: 1 do 370 umożliwił wiele interesujących eksperymentów symulacyjnych [J. Geophys. Res., 2003a]

55 Rozwiązania - SG1232 widma amplitudy dla różnych odległości obserwator-źródło (O-Z) Bx km 6 Bx km Bx km au 400 au 600 au Hz Hz Hz 11 Bx km 13 Bx km km 16 Bx km km au au au Hz Hz Hz widma modów rezonansowych są zależne od odległości O-Z i są asymetryczne [J. Geophys. Res., 2003a]

56 Rozwiązania - SG1232 częstotliwości maksimów rezonansowych w funkcji odległości (O-Z) 8,3 n Ez, = l=11 n Ez, = l=22 n Ez, = l=33 14,8 20,4 8,2 14,6 20,3 20,2 8,1 14,4 20,1 Hz 8,0 7,9 Hz 14,2 14,0 Hz 20,0 19,9 19,8 E z 7,8 13,8 19,7 19,6 7, , , deg deg deg Bz, l=1 Bx, l=2 Bx, l=3 8,1 14,8 20,6 8,0 7,9 14,6 14,4 14,2 20,4 20,2 20,0 Hz 7,8 7,7 7,6 Hz 14,0 13,8 13,6 13,4 Hz 19,8 19,6 19,4 19,2 H y 7, , , deg deg deg dla podstawowego modu magnetycznego występuje efekt poniebieszczenia częstotliwości maksimów propagacyjnych silnie zależą od odległości obserwator - źródło

57 Model wyjaśnił zagadkę dobowych wędrówek częstotliwości rezonansowych model poprawnie opisał dobowe zmiany częstotliwości 1 modu (sięgające 0.5 Hz) f 1 [Hz] ,4 8,2 8,0 7,8 f8, skladowa Bx, model November November 2000 UT Hz 7,6 7,4 7,2 Ameryka Azja Afryka 7,0 6, [km] deg 2.5e-6 3.1e-6 3.7e-6 przyczyną są zmiany odległości pomiędzy obserwatorem a źródłem (efekt O-Z) [J. Geophys. Res., 2003b]

58 Odpowiedział na pytanie - jaka jest prawdziwa częstotliwość rezonansowa 6 lat obserwacji f 1 [Hz] a) f 1 max = ln(srf) f 1 (90) = ln(srf) [sfu] 240 Solar Radio Flux (SRF) at 2800 MHz prawdziwa tzn. nie zależna od położenia obserwatora względem źródła prawdziwe częstotliwości rezonansowe modów wnęki okazały się bardzo stałe w 23 cyklu aktywności Słońca amplituda zmian nie przekroczyła 0.2 Hz f 1rez powstała formuła: f1 rez = log( SRF) częstotliwość rezonansowa 1 modu wnęki dla spokojnego Słońca f1 rez 7.83[Hz] [J. Geophys. Res., 2003b]

59 Analiza przyczyn zależności zjawisk rezonansowych od odległości O-Z x δ( 0, t) =0 x pole rezonansowe = interferencja fal o jednakowych amplitudach = + π pozostała nadwyżka deformuje pole rezonansowe ta nadwyżka to fale biegnące wywołuje asymetrię krzywych rezonansowych idee te rozważał Ugo Fano [J. Geophys. Res., 2006]

60 Rezonans Fano (July 28, 1912 February 13, 2001) asymetryczny rezonans przeanalizował w 1961 r Ugo Fano opisał model nieelastycznego rezonansowego rozpraszania elektronów na He przyczyna asymetrii - oddziaływanie pola rezonansowego z falami padających elektronów myśl Fano: oddziaływanie pomiędzy procesem rezonansowym i falami tła daje zawsze asymetrię efekt jest silny gdy: pole rezonansowe jest silnie tłumione (proces nielastyczny, silnie dyssypatywny)

61 Symulacyjne badania rezonansu Fano w tłumionym rezonatorze sferycznym referencyjna linia transmisyjna δ( 0, t) θ + Im[ ϕ tr ( θ, f)] Re[ ϕ tr ( θ, f)] θ =0 δ( 0, t) ϕ tr ( θ, t) + ϕ( θ, t) ϕ res ( θ, f ) a θ π ϕ ( θ, f) = ϕ ( θ, f) + ϕ ( θ, f res tr ) rezonator [J. Appl. Phys.]

62 Poszukiwanie metody dekompozycji pola we wnęce zadanie oddzielić składową rezonansową pola od reszty (fale biegnące) ϕ( x, t) metoda amplitudowo - fazowa we wnęce Z - J można obserwować sygnały jako pola E(t) i H(t) część sygnału stanowi fala bezpośrednia ze źródła, część to fale dookólne można je analitycznie rozdzielić gdy są krótkimi impulsami pola można wtedy określić odległość i parametry źródła ϕ( x, f ) 2 metoda energetyczna - widmo mocy pola we wnęce gdy przychodzi ciąg poissonowski impulsów nie znamy fazy przykładem takiego pola jest rezonans Schumanna wzbudzany przez centra burzowe należy poszukiwać metody dekompozycji widma mocy

63 ϕ( x, f ) 2 Heurystyka poszukiwań metoda energetyczna - widmo mocy pola we wnęce kluczem może być symetryzacja widma mocy w dowolnym punkcie wnęki należy poszukiwać formuły do rozkładu widma na składniki symetryczne + reszta należy założyć, że część symetryczna opisuje pole rezonansowe (Feynman, 1963] tak postąpił Fano z powodzeniem w fizyce jądrowej (rozkłady energii cząstek) są podobieństwa pomiędzy tymi dziedzinami równanie Schrodingera równania Maxwella funkcje falowe ψ = funkcje pola E i H opis statystyczny opis klasyczny

64 ϕ( Znaleziona formuła dekompozycji widma mocy we wnęce formuła dekompozycyjna rozkłada widma mocy na 2 składniki 2 2 x 2 ϕn( x) en( x)( f frn) ϕn( x), f) n ( f frn) + ( γn) n ( f frn) + ( γ 2 n) cześć asymetryczna cześć symetryczna ϕ ( θ, f) = ϕ ( θ, f) + ϕ ( θ, f tr res ) składowa transmisyjna składowa rezonansowa en - parametr odpowiedzialny za asymetrię widma f rn - prawdziwe częstotliwości rezonansowe wnęki 2γ n - prawdziwe szerokości pików rezonasowych Q rn f = - prawdziwe dobroci modów rn * 2γ n [J. Geophys. Res., 2006]

65 Algorytm dekompozycji widma mocy rozwiązania E(t) lub H(t) obserwowany szereg czasowy E(t) lub H(t) FFT widmo mocy [E(f)] 2 lub [H(f)] 2 fitowanie 21+ en( x)( f frn) W( x, f) ϕ DEKOMPOZYCJA n( x) 2 2 ( f f ) + ( γ ) n funkcja dekompozycji W(x,f) rn n cześć symetryczna widma składowa rezonansowa pola parametry asymetrii fale biegnące

66 Test skuteczności metody dekompozycji na rozwiązaniach modelowych dekompozycja ujawniła prawdziwe częstotliwości rezonansowe wnęki 3 mod 2 mod Model SG mod składowa symetryczna widma dla każdej odległości ta sama częstotliwość odległość kątowa od źródła dokładność dekompozycji rozwiązań modelowych lepsza niż 0.1%

67 Przykład dekompozycja 1 modu widma uzyskane przy pomocy modelu FTDT 7.6 Hz 7.2 Hz 7.8 Hz 7.8 Hz km km odtwarza poprawnie częstotliwości rezonansowe wnęki odtwarza poprawnie amplitudy pola rezonansowego w różnych punktach wnęki

68 Bardzo ważny wynik składowa rezonansowa pola zależy od odległości O-Z tu interferują fale, które musiały obiec co najmniej cały obwód rezonatora e αl x =0 δ( 0, t ) mała a x =l/ 2 duża tu interferują fale, które obiegły połowę obwodu e αl / 2 / 2 e αl na antypodach pole razy większe (4 db dla 1 modu rezonansu Schumanna) rozwiązania rezonansowe uzyskane metodą faktoryzacji są błędne

69 Dekompozycja obserwowanych widm mocy rezonansu Schumanna , 14:45 krzywą dekompozycji fituje się do 300 s widma mocy w zakresie 1 do 48 Hz odtwarza się częstotliwości rezonansowe wnęki odtwarza się moce 7 modów rezonansowych wnęki odtwarza się odległość do głównych centrów burzowych odtwarza się moc chwilową centrów burzowych na Ziemi

70 Przykłady odtwarzania częstotliwości rezonansowych wnęki częstotliwości 1 modu obserwowane przy pomocy 2 anten ortogonalnych 5 dni obserwacji przed dekompozycją po dekompozycji 50 czestotliwosci modow NS 50 Hz dni obserwacji częstotliwości 7 modów dni [J. Geophys. Res., 2006]

71 Zastosowanie - badania globalnego wskaźnika intensywności burz na Ziemi składowa rezonansowa we wnęce Z-J jest globalna wszyscy obserwatorzy widzą to samo amplitudy modów rezonansowych odzwierciedlają intensywność wszystkich burz na Ziemi dzięki metodzie dekompozycji można wyznaczać nie zakłócone amplitudy modów i na tej podstawie obliczyć wskaźnik intensywności burzi RS (mocy burz) I RSy I RSx Azj a Afry ka Amery ka I = I + I RS RSx RSy [2009, doktorat Zenon Nieckarz ]

72 Przypomnienie stały potencjał jonosfery zależy od intensywności burz V h 85 km zwykłe komórki CG - E 0z = 120 V/m dlatego zmiany wskaźnika intensywności burz I RS powinny być skorelowane ze stałym polem jonosfery E 0z

73 Badania korelacji I RS z E 0z 55 dni wspólnych obserwacji Świder - Hylaty metoda ELF - pomiar mocy burz: rezonans Schumanna metoda dekompozycji wskaźnik aktywności I RS metoda pomiaru potencjału jonosfery: pomiar stałego pola E oz krzywa Carnegie istnieją dni wyraźnej zbieżności współczynnik korelacji sięga 0.85 [Atmospheric Research, 2009]

74 Inny przykład - pomiary aktywności wybranych centrów burzowych Hylaty antena By 5 kolejnych dni średnia miesięczna pomiary z czasową zdolnością 5 min [J. Geophys. Res., 2014]

75 Badania wpływu flar słonecznych na warstwę D (SID ELF) 6 sierpnia 2011 X2.1 6 class flare SR power spectrum: t 0 80 min grupa plam AR W/m 2 Power spectrum: t = t 0

76 Badania wpływu flar słonecznych na warstwę D 8.5 Hz 14.7 Hz 8.0 Hz 14.1 Hz [J. Geophys. Res., 2015]

77 Badania impulsów pola ELF w falowodzie G-J

78 Historia badań impulsów pola ELF badania odosobnionych impulsów i ich źródeł rozpoczęły się w latach 60 - tych T. Ogawa, 1965 definicja odosobnionego impulsu, tzw. Q burstu D. D. Sentman, 1993 M. Rycroft, 1994 W. A. Lyons, 1994 D. Boccippio, E. R. Williams, 1995 analizy sygnałów generowanych przez SPRITE GRS, 1996 S. A. Cummer, 1999 wyznaczanie momentów dipolowych źródeł GRS 2007 Hayakawa, Nickolaenko, impulsy z trzęsie Ziemi GRS, 2010, 2011, 2014 rozwiązania odwrotne, wyznaczanie parametrów źródeł GRS 2012, 2013, 2014 modelowanie falowodów grunt jonosfera, inne planety GRS 2019 tomografia ELF gruntu Marsa

79 Parametry propagacyjne falowodu G J na Ziemi E z r H y źródło fala propagacja fal jest jednomodowa TEM w zakresie: prędkość fazowa fal silnie zależy od częstotliwości: [Hz] v=0.83c (linia paskowa) dla 10 Hz tłumienie zależne od częstotliwości: na 10 Hz spadek energii do połowy na 10000[km] niezwykła stałość parametrów propagacyjnych: w cyklu 11 letnim zmiana prędkości fazowej jest rzędu 3 % w cyklu 11 letnim zmiana współczynnika tłumienia jest rzędu 15 % z dnia na dzień zmiany współczynnika tłumienia nie większe niż 0.2 %

80 Rozwiązania odwrotne - odtwarzanie parametrów fizycznych źródeł funkcja transmitancji falowodu G - J funkcja transmitancji odbiornika ELF s(t) l wr (, f) g(f) B(t) r wyładowanie obserwacja s(t) metoda odwrotnego kanału B(t) odtwarzanie przebiegu momentu prądowego w źródle [J. Geophys. Res., 2010; Radio Science 2013]

81 Obiekt badań - wyładowania dodatnie CG + r = km CG + + B 50 pt typowy ELF, VLF, HF, VHF Q-burst B 200 pt typowe bardzo silne (Q-bursty) q=15[c] l =12[km] p=225[ckm] W=100[MJ] τ =200 [ µ s] I max =100000[A] ładunek długość kanału wyładowania moment dipolowy ładunków zgromadzona energia czas rozładowania prąd maksymalny q=100[c] l =12[km] p =1200[Ckm] W =1400[MJ] widoczne są wielokrotne obiegi impulsów wokół Ziemi

82 Przykłady propagacji wieloobiegowej silnych impulsów EQ , 5:15:55 UT EQ , 5:18:28 UT Bx - 0 km pt blisko pt au s s -200 s -200 Bx km 40 ES ES pt km pt pt s s -80 s -60 Bx km 80 EK ET pt km pt pt s s -60 s -40 Bx km 80 EK EK pt km pt pt s s s model propagacji SG1332 obserwacje Hylaty

83 Wyładowania Jonosfera Chmura (IC) V h 85 km l 60 km komórka mezoskalowa MCS CG l 12 km poprzedza je wyładowanie CG +, które usuwa ładunek dodatni z górnej części chmury dochodzi do przyspieszania elektronów w kierunku jonosfery wytwarza się prekursor i przebicie lawinowe (RS) dochodzi do przepływu prądu z jonosfery do chmury (IC)

84 Wyładowania Jonosfera Chmura (IC) są optycznie widoczne jako TLE (Transient Luminous Event) (orbitalnie: ISUAL, EUSO) SPRITE czas trwania świecenia : ok. 100 ms jasność całkowita: 1-10 MR (mega Rayleigh) czas wyładowania: ok. 200 ms typowa energia: 50 MJ GJ (Gigantic Jet) czas trwania świecenia : ok. 20 ms jasność całkowita: ok. 3 MR czas wyładowania: ok. 100 ms typowa energia: 5 GJ

85 Przykład impulsu pola ELF generowanego przez SPRITE CG + 100ms wyładowanie jonosfera - chmura oscylacja ULF 2 s S :56: (750 km od Hylatego) CG + wyładowanie CG + do gruntu ULF fala podłużna, prawdopodobnie wzbudzana lokalnie w rezonatorze IAR

86 Przykład - studium serii sprajtów obserwowanych na Hylatym duża komórka MCS nad Niemcami - noc sprajtów 6 sierpnia 2013 (ogółem 100) prowadzono jednoczesne obserwacje przy pomocy 2 kamer, stacji Hylaty i stacji LINET-u LINET VLF r = 650 km Hylaty ELF [J. Geophys. Res., 2014 ]

87 Pierwszy wielki dżet (GJ) europejski w pobliżu Korsyki - 12 grudnia ms 1a v m/s 2τ 11 ms T 160 ms 0 A B 1b 2 3 C 3a? r = v r τ 1.4Mm 5.7ms 17 ms 150 ms obserwator optyczny: Ferrucio Zanotti z Montignoso - sieć Italian and TLE Network rozciągnięty obszar burzowy 80 km na zachód od Ajaccio na Korsyce (1400 km od Hylatego)

88 Odtworzenie parametrów elektrycznych europejskiego GJ przebieg pola magnetycznego przebieg momentu prądowego moment dipolowy B 390 pt odległość od Hylatego r 1400[km] moment dipolowy p [Ckm] długość kanału wyładowania wynikająca z pomiarów optycznych l 60[km] wynikający stąd przeniesiony ładunek q = p/ l 200 [C] energia rozładowania układu ładunków W 6[GJ] równoważnik 1 kt TNT W 1.5[kt TNT] [Radio Science, 2011]

89 Obiekt badań - wyładowania emitujące ziemskie błyski gamma (TGF) satelita BATSE Compton Gamma Ray Observatory [Fishman et al., 1994] typowy czas trwania 1 ms fotony powyżej 1 MeV, widoczne ponad chmurami (ponad 40 km) podejrzenie: wyładowania IC, SPRITE? rozmieszczenie - satelita RHESSI do TGF

90 Przykład - wyładowanie związanego z TGF TGF - Camerron 7.33 E, 2.89 N - 13 Nov 2008 [pt] TGF ELF IC B pik= 12.4 pt B y τ = 41.2 ms time after 07:44: UT [s] impuls ELF o sygnaturze dodatniej r = 5352 km τ = 41.2 ms przewidywane zmierzone τ = 41.0 ms B noise = 1.4 pt p = 320 C km B x / B y zgodny z kierunkiem TGF - Hylaty [J. Geophys. Res., 2012)

91 Interferometry do śledzenia źródeł planetarnych fal ELF

92 Test globalnego systemu interferometrycznego Hylaty Kanada baza 7016 km eksperymentalny system Hylaty Kanada działał w dniach od 13 do 25 maja 2009 r. stację kanadyjską umieszczono w parku narodowym Algonquin Park obydwie stacje miały zegary zsynchronizowane z czasem GPS system pokazał, że można śledzić i mierzyć silne wyładowania na planecie

93 Przykład obserwacji HC wyładowanie dodatnie X24 nad Afryką Południową N W N E ALG δ = W = / 2013 δ = E = 4.50 / 2007 HYL tgα = b b x y t = 12 ms r = 3070 km tgα = b b x y t = 04:00: t = 04:00: b x = 5200 b x = 3500 b y = 3100 b y = 8200 b = 6050 b = 8915 tg α = tg α = α = α = α = α = α = = α = = /

94 X24 ALG HYL ALG km b = 6050 b = 365 pt r = 3800 km r = 3270 km - czasowa v n = [m/s] HYL 9300 km b = 8915 b = 535 pt

95 S, E X24

96 2013 / 2014 lokalny system HWK (Hylaty-Wigry-Karkonosze) N54 02' " E23 06' " WIG pasmo 0.03 do 300 Hz 620 km x 540 km y KAR N E km HYL ELA10 N49 10' " E22 33' " system HWK działał od 27 lipca do 12 sierpnia 2013 r system HB (Hylaty Brody) działał w sierpniu 2014 r

97 HWK automatyczne śledzenie pozycji i wyznaczanie parametrów wyładowań metoda wyznaczania kierunków i czasów opóźnień (RDF i TOA) [J. Geophys. Res., 2016]

98 Globalny system radiolokacji WERA - World ELF Radiolocation Array 3 stacje ELF mierzące rozmieszczone na 3 kontynentach wyznaczanie położenie źródeł metodą TOA + RDF Denver Rhode Island 8830 km Hylaty km km km Taiti km Sao Paulo Patagonia

99 WERA - współpraca Earle Williams - Massachusetts Institute of Technology - Massachusetts Eduardo J. Quel - UNIDAD DE INVESTIGACION Y DESARROLLO ESTRATEGICO PARA LA DEFENSA Buenos Aires Marek Gołkowski - Electrical Engineering University of Colorado Denver - Denver NCN 2012/04/M/ST10/ Harmonia

100 Programy badawcze realizowane przy pomocy systemu WERA badania wielkich wyładowań w skali planetarnej pierwszy kompletny przegląd globalny silnych CG + (1000 wył. na rok) pomiar parametrów dolnych warstw jonosfery na trasie propagacji pomiary i modelowanie interfejsu jonosfera - magnetosfera (warstwa E)) projekt AGH ESA Swarm pomiary i modelowanie wyładowań SPRITE i GJ projekt ASIM współpraca z projektami LIGO i Virgo w dziedzinie eliminacji zakłóceń badania rezonansu Schumanna mapowanie i kalibracja mocy burz w jednostkach absolutnych pomiar mocy burz na Ziemi (w czasie rzeczywistym) badania wpływu aktywności Słońca na wnękę precyzyjne badania pogody i klimatu współpraca z LIGO i Virgo w dziedzinie oceny zaburzeń pomiaru GWB

101 Przykład WERA - silne wyładowanie CG + 9 June 2015 metoda RDF + TOA Hylaty km Hugo km α HYL = α HUG =

102 WERA 3 stacje - silne wyładowanie CG + Hylaty Hugo Patagonia lokalizacja - Madagaskar

103 Położenie stacji WERA Hugo względem detektorów LIGO Hanford, Washington EM ELF / 1540 km / 6 ms GW / 3000 km / 10 ms Hugo EM ELF / 1505 km / 6 ms Livingston, Louisiana

104 Oddziaływanie pól EM na zawieszenia mas próbnych w LIGO stosowano magnesy zamontowane bezpośrednio na masach testowych w aligo pole wpływa na ferromagnetyki w 1 i 2 systemie zawieszeń impuls pola ELF o amplitudzie B = 10 pt wywołuje impuls pseudograwitacyjny o amplitudzie h = 10-22

105 WERA jako weryfikator wpływu impulsów EM ELF na zapis LIGO Hylaty Hugo [B. P. Abbot et al., Phys. Rev. Lett., 12 February 2016]

106 Rezonans Schumanna w sygnałach detektorów grawitacyjnych LIGO i Virgo! interferometry LIGO Hanford (LHO) i LIGO Livingston Magnetic cross-amplitude spectra during the S5 and S6-VSR2/3 LIGO-Virgo science runs. Strain amplitude spectra for correlated and uncorrelated noise. Black is the uncorrelated noise for the H1L1 detector pair operating at Advanced LIGO design sensitivity and assuming 1 yr of integration. [E. Thrane, N. Christensen, and R. M. S. Schofield, LIGO document number LIGO-P ]

107 Jak przeciwdziałać? ekranowanie wrażliwych układów zawieszeń mas próbnych ekranowanie bierne osłony ferromagnetyczne wrażliwych elementów zawieszeń ekranowanie aktywne możliwe układy o wielu czujnikach magnetycznych zastosowanie magnetometrów i usuwanie postdetekcyjne na wyjściu detektora odosobnione impulsy ELF weryfikacja korelacyjna pole BSR Background Schumann Resonance odejmowanie niekoherentne optymalne filtry wienerowskie w czasie rzeczywistym odejmowanie widmowe odejmowanie koherentne (z uwzględnieniem fazy)

108 Podsumowanie - zakończenie badania fal ELF są szybko rozwijającym się działem geofizyki i badań planetarnych dostarczają informacji o fizyce wyładowań w atmosferze Ziemi pozwalają badać dolne warstwy jonosfery i wpływ Słońca na ich stan umożliwiają precyzyjną metrologię globalnego obwodu elektrycznego umożliwiają precyzyjne badania zmian klimatycznych na Ziemi mapowanie burz w skali globalnej pomiary aktywności Ziemi w jednostkach bezwzględnych wkrótce staną się standardową metodą badań jonosfer i gruntów planet zespół GRS realizuje obecnie projekt budowy stacji marsjańskiej ELF konstruowane są rozwiązania odwrotne do tomografii gruntu Marsa badacze poszukiwani jest wiele problemów do rozwiązania

109 Dziękuję za zaproszenie i uwagę ELF kontakt: Andrzej Kulak <kulak@oa.uj.edu.pl>

110 Ważniejsze publikacje GRS wspominane w wykładzie A. Kułak, K. Maślanka, A. Michalec, S. Zięba, Observations of Alfven Ionospheric Resonances on the Earth Surface, Studia Geophysica et Geodaetica, 43, , A. Kułak, S. Micek, Z. Nieckarz, S. Zięba, Solar variations in extremely low frequency propagation parameters: I. Atwo-dimensional telegraph equation (TDTE) model of ELF propagation and fundamental parameters of Schumann resonances, J. Geophys. Res., 108, A7, 1270, doi: /2002 JA009304, 2003 A. Kułak, J. Kubisz, A. Michalec, Z. Nieckarz, S. Zięba, Solar variations in extremely low frequency propagation parameters: II. Observations of Schumann resonances and computation of the ELF attenuation parameter, J. Geophys. Res, 108, A7, 1271, doi: /2002JA009305, 2003 A. Kułak, J. Młynarczyk, S. Zieba, S. Micek, Z. Nieckarz, Studies of ELF propagation in the spherical shell cavity using a field decomposition method based on symmetry of Schumann resonance curves, J. Geophys. Res, Vol. 111, A10304, doi: /2005ja01149,2006. A. Odzimek, Kułak A., Michalec A., Kubisz J., An automatic method to determine the frequency scale of the ionospheric Alfven resonator using data from Hylaty station, Poland, Annales Geophysicae, , M. J. Rycroft, A. Odzimek, N. F. Arnold, M. Fullekrug, A. Kulak, T. Neubert, New model simulations of the global atmospheric electric circuit driven by thunderstorms and electrified shower clouds: The roles of lightning and sprites, J. Atmos. Sol. Terr. Phys., 69(17-18), , Z. Nieckarz, Andrzej Kułak, Stanisław Zięba, Marek Kubicki, Stanisław Michnowski, Piotr Barański, Comparison of global storm activity calculated from Schumann resonance bckground component to electric field intensity E 0z, Atmospheric Research, Vol. 91, pp , Z. Nieckarz, S. Zieba, A. Kułak and A. Michalec, Study of the Periodicities of Lightning Activity in Three Main Thunderstorm Centers Based on Schumann Resonance Measurements, Monthly Weather Review, Volume 137, Issue 12, pp , DOI: /2009MWR2920.1, A. Kulak, Z. Nieckarz, and S. Zięba, Analytical description of ELF transients produced by cloud-to-ground lightning discharges, J. Geophys. Res., 115, D19104, DOI: /2009JD013033, Z. Nieckarz, A. Kulak, S. Zieba, and A. Odzimek, Cloud-to-ground lightning dipole moment from simultaneous observations by ELFreceiver and combined direction finding and time-of-arrival lightning detection system, J. Geophys. Res., DOI: /2010JD014736, A. Kulak, J. Mlynarczyk, A new technique for reconstruction of the current moment waveform from the magnetic field component based on a gigantic jet associated lightning discharges recorded by ELF station, Radio Science, 46, RS2016, doi: /2010rs004475, A. Kulak, J. Mlynarczyk, M. Ostrowski, J. Kubisz, and A. Michalec, Analysis of ELF electromagnetic field pulses recorded by the Hylaty station coinciding with terrestrial gamma-ray flashes, J. Geophys. Res., 117, D18203, doi: /2012jd018205, 2012.

111 Ważniejsze publikacje GRS cytowane w wykładzie A. Kulak, and J. Mlynarczyk, ELF Propagation Parameters for the Ground-Ionosphere Waveguide With Finite Ground Conductivity, IEEE Transactions on Antennas and Propagations, Vol. 61, No. 4, doi: /TAP , A. Kulak, J. Mlynarczyk, J. Kozakiewicz, An Analytical Model of ELF Radiowave Propagation in Ground-Ionosphere Waveguides With a Multilayered Ground, IEEE Transactions on Antennas and Propagations, 61, 9, /TAP , A. Kulak, J. Kubisz, S. Klucjasz, A. Michalec, J. Mlynarczyk, Z. Nieckarz, M. Ostrowski, and S. Zieba, Extremely low frequency electromagnetic field measurements at the Hylaty station and methodology of signal analysis, Radio Science, 49, doi: /2014rs005400, M. Dyrda. A Kulak, J. Mlynarczyk, M. Ostrowski, J. Kubisz, A. Michalec and Z. Nieckarz, Application of the Schumann resonance spectral decomposition in characterizing the main African thunderstorm center, J. Geophys. Res., DOI: /2014JD022613, J. Mlynarczyk, J. Bor, A. Kulak, M. Popek, J. Kubisz, An unusual sequence of sprites followed by a troll an analysis of ELF radio measurements and optical observations, J. Geophys. Res., 120, doi: /2014ja020780, M. Dyrda, A. Kulak, J. Mlynarczyk, and M. Ostrowski, Novel analysis of a sudden ionospheric disturbance using Schumann resonance measurements, J. Geophys. Res. Space Physics, 120, doi: /2014ja020854, J. Kozakiewicz, A. Kułak, J. Młynarczyk, Analytical modeling of Schumann resonance and ELF propagation parameters on Mars with a multi-layered Ground, Planetary and Space Science, 117, , J. Mlynarczyk, A. Kulak and J. Salvador, The accuracy of radio direction finding in the extremely low frequency range, Radio Science, 52, , doi: /2017RS006370, Michael W. Coughlin, Alessio Cirone, Patrick Meyers, Kubisz J., Kulak A., Mlynarczyk J., Measurement and subtraction of Schumann resonances at gravitational-wave interferometers, Phys. Rev. D 97, , M. Gołkowski, S. R. Sarker, C. Renick, R. C. Moore, M. B. Cohen, A. Kułak, J. Młynarczyk, J. Kubisz, Ionospheric DRegion Remote Sensing Using ELF Sferic Group Velocity, Geophysical Research Letters, Vol 45, Issue 23, Pages 12,739-12,748, (2018).

112 Uzupełnienia

113 Czym się różnią wyładowania dodatnie od ujemnych? CG - CG + wyładowanie ujemne chmura grunt wyładowanie dodatnie chmura - grunt typowy prąd - ok A prądy sięgające A energie rzędu 10 MJ energie rzędu 100 MJ

114 Anatomia powstawania impulsu wielokrotnego (Q-burstu) δ( 0, t) r =0 τ r T τ T 143ms τ 30ms τ r T r 8400km r τ T T czas obiegu impulsu wokół Ziemi τ czas przelotu impulsu po trasie krótkiej 2τ 60ms

115 Instalacja Stacji Hugo 20 maja 2015 grupa studentów z Denver obok pierwsze widmo próbne

116 Instalacja stacji Patagonia 28 marca 2016 lokalizacja stacja geofizyczna UNIDEF w bazie wojskowej w Río Gallegos

117 Jonosfera i grunt na Marsie jonosfera dwukolanowa grunt wielowarstwowy a = 3375[km] ρ = 3933[kg/m g = 3.71[m/s p = 6.36[mb] T = 210[K] 2 ] 3 ]

118 Tłumienie i prędkość fazowa fal ELF na Marsie linia niebieska linia czerwona σ g σ g = [S/m] = 10 4 [S/m] S 2 ( f) = h h m e linia przerywana σ g = 10 7 [S/m] tłumienie fali 10 Hz = 12 db / km [Kułak, Młynarczyk, Radio Science, 2012]

119 Propagacja impulsów w falowodzie Grunt Jonosfera na Marsie fala wytworzona przez wyładowanie p = 1 C km p = 1 C km różnice Ziemia / Mars na dystansie 5000 km

120 Propagacja impulsów w falowodzie Grunt Jonosfera na Marsie p = 1 C km odległość 5000 km test wpływu grubości skorupy marsjańskiej na propagację impulsów pola skorupa σ g = 10 7 [S/m] płaszcz σ g = 10 2 [S/m]

121 Przykład - rezonans Schumanna dla różnych modeli gruntu na Marsie

122 GRS - projektowana aparatura pomiarowa ELF