Obsewtoium Astonomiczne UJ Zkłd Fizyki Wysokich Enegii Instytut Fizyki UJ Zkłd Doświdczlnej Fizyki Komputeowej Akdemi Góniczo-Hutnicz Kted Elektoniki Andzej Kułk AGH/OA UJ Zenon Nieckz -IF UJ Jezy Kubisz, Adm Michlec, Piot Kopeski, Stnisłw Zięb - OA UJ Jk wykozystć stcje diowe ELF do bdń geofizycznych? Dweniczek - 007
Histoi diokomunikcji w zkesie ELF 1887 - ekspeymenty H. Hetz - UHF, VHF 1890 - E. Kennelly - pób obsewcji Słońc w zkesie ELF 1891 - wpowdzenie sieci pądu zmiennego 50 Hz (Euop) 1893 - W. Peece - telegf indukcyjny bez dutu - 8 km 1897 - O. Lodge - kolejn pób obsewcji Słońc w zkesie ELF 1901 - G. Mconi - łączność pzez Atlntyk - odkycie jonosfey 1906 - N. Tesl - bezpzewodowe ozsyłnie enegii ELF n Ziemi 1938 - W. O. Schumnn - ide łączności globlnej w zkesie ELF? 195 - W. O. Schumnn - ezonns wnęki Ziemi - Jonosfe w zkesie ELF 1960 - M. lse - obsewcj ezonnsu Schumnn 1969 - pomysł diokomunikcji w zkesie ELF 1974 - elizcj pojektu Sngine (IEEE 1974) 1979 - usz system Sefe - 76 Hz 1985 - uuchomiono system Zevs - 8 Hz Dweniczek - 007
Anteny ndwcze w zkesie ELF nten ziemn - hoyzontlny dipol mgnetyczny (HDM) długość nteny l ndjnik I I 0 cos ωt δ g 1 π µ σ 0 g f uziemienie 1 uziemienie poziom guntu w głębokośćć nteny gunt jednoodny δ g w δ g wstw podwójn σ g h g w h g σ d >> σ g Dweniczek - 007
Anteny ndwcze w zkesie ELF hoyzontlny dipol mgnetyczny - HDM l uziemienie 1 uziemienie I cos ωt w s R 1 πσ g s ln s d d I P R m I 0 l w Dweniczek - 007
Pomieniownie HDM w flowodzie Ziemi - jonosfe h m ϕ 0 x H y E z ϕ (, ϕ) i µ k m () H1 ( k) 4h 0 cosϕ [udden 1961] stef flow ϕ (, ϕ) µ k m 4h e πk 0 ik cosϕ dodnie tłumieni ϕ (, ϕ) µ k m 4h e πk 0 ik α e cosϕ Dweniczek - 007
Zleżności dyspesyjne w flowodzie Ziemi - jonosfe ϕ 0 mx pomieniowni ( ) k λ π λ v f m k 4h πk µ 0 α e długość fli w flowodzie Ziemi - jonosfe c v α 1.64 0.1759 ln f + 0.0179 ln 0.063 f 0.64 [d/] f 10[Hz] v 0.750c α 0.75 [d/] 50[Hz] v 0.8158c 80[Hz] v 0.845c 100[Hz] v 0.867 c 0.770 1.04 1.0 [d/] [d/] [d/] Dweniczek - 007
Efekt ogniskowni pol n ntypodch fkto ogniskowni θ θ θ sin N O e m h α λ λ µ π 0 ) ( e m h α θ θ λ λ µ π sin ) ( 0 / sin 1 sin 1 θ θ VLF - Austin 196 ELF - Glejs 197 π i 0 mxim dl λ π π / sin 1 lim [Glejs 197] A Dweniczek - 007
Efekt ogniskowni pol n ntypodch [uows 1975] Dweniczek - 007
Anteny odbiocze w zkesie ELF L R ε R i A N ω µ ε i i i R R R R P γ ε ε 4 ) ( + + i i R R R γ 0 1 H S η R A N S P 0 η λ µ π Σ 4 d A π powiezchni skuteczn nteny Dweniczek - 007
Anteny odbiocze w zkesie ELF l d Σ π µ N A η0 λ R s l d smukłość nteny µ 1 µ + 1 0.84 1 1 1.7 s µ efektywn pzeniklność dzeni nteny µ >> s µ 1. s 1.7 Σ 8 5 4.4 4.310 d s f Dweniczek - 007
Anteny odbiocze w zkesie ELF L R U U n ε I n R i optymlizcj szumow nteny R U I n n F I nu kt n 1+ minimln liczb szumow Dweniczek - 007
Anteny odbiocze w zkesie ELF pmety nten optymlnych n 0 F 1.08.5. d s f pt Hz l 1 m, f 80 Hz d 10[mm] s 100 F 1. n 0.0006 pt Hz Φ 160 [m] l 3 m, f 80 Hz ównowżn pętl z dutu d 50[mm] s 60 F 1. n 310 5 pt Hz Φ 400[m] Dweniczek - 007
Anteny AA1000 w czsie testów Dweniczek - 007
Poziom szumów n Ziemi w zkesie ELF Repot 670 CCIR, Woldwide minimum extenl noise levels 0.1 Hz to 100 GHz, vol. 1, pp. 07-14, 1986
Poziom szumów ELF Hylty - szumy plnety w zkesie 0.1 Hz do 60 Hz 1 1 50 Hz 50 / 3 Hz Amp. 0.1 3 4 5 6 7 0.01 0 5 10 15 0 5 30 35 40 45 50 55 Feq [Hz]
Poziom szumów Ziemi w zkesie ELF ktywność buzow T z z 310 310 5 1 [K] [T] ε 1 z µ 0 µ 0 4π 10 7 pomieniownie temiczne T 300 0 [K] z 10 3 [T] objętość ezonto W 1 ε 4π h ε W P P det 3.610 10[J] 18 100[W] S N S N kt 0 300 [J/m f Q 3 ] 10 Q τ 0.1[s] ω W P τ 18 [W] z A ε W P h e 3.610 1.10 1.10 10 41 1 0 15 [J/m [J] [W] [Wb] 8 A 10 [m ] 15[km min ] min 3 ] d Dweniczek - 007
Zsięg łącz diowego w zkesie ELF liczb szumow szumu tmosfeycznego F 10log P kt f lub T P k f f 100 Hz F F 05[d] 15[d] wtość minimln wtość mksymln E n F + 0log f + 10log fmhz 95.5[d( MHz µ V/m)] µ 0 n E n η n n n 0.0004[pT/ 0.00[pT/ 0.00003 [pt/ Hz] Hz] Hz] wtość minimln wtość mksymln nten l 3 m wniosek: poziom szumów n powiezchni Ziemi jest wyższy niż dostępnych nten n >> n
Zsięg łącz diowego wunek pzybliżony: Podebn P n P n kt f f [Hz] szeokość knłu moc odebn moc szumów tmosfeycznych n wejściu odbionik dokłdny wunek: P odebn γ P n γ - pogow wieność pzed detekcyjn, dl któej tnsmisj jest popwn jest zleżn od odzju modulcji i wymgń jkości sygnłu po wyjściu z detekto moc odebn γ moc szumów tmosfeycznych n wejściu odbionik
γ Wieność pzeddetekcyjn postych modulcji cyfowych o decyduje pzyjęcie binnej stopy błędu - P b - ER 1 Ρb exp( γ ) Ρ b 1 efc( γ ) NC - detekcj nie koheentn C - detekcj koheentn 1/ 1 - - FSK PSK gdzie γ S N we P P odebn szumu MSK: NC dl P b 0.001 1.4 [d] C dl P b 0.001 γ γ 5 [d]
Zsięg łącz diowego w zkesie ELF kyteium zsięgu odebne min n f γ S N odebne odebne min S N π µ 0 h m γ f α 1 e 3 λ sin / S N 108 0logh+ 0logm 10log( γ f ) 0log 30logλ - α / 10log( sin / ) d
System Sefe - 76 Hz dw ndjniki: WTF (Wisconsin Tnsmitte Fcility) MTF (Michigen Tnsmitte Fcility) σ g -4.410 w.6[km] l.5[km] I 300[A] [S/m] [nniste 1976, Wolkoff nd Kime 1993] m 300 [A].5 [km].6 [km] 3.510 10 [A m ] λ 3.95[] 10[] 0[] S N S N 1.8[d].8 [d] 10 log π λ 9.0 [d]
System Sefe
System Sefe - 76 Hz - pot sygnłu WTF + MTF π µ 0 m ( ) h λ λ sin( / ) e α m 3.510 h 65[km] f γ 1 10 λ 3.95[] v / c 1.1 [A m ] ( ) α / 10log( sin / ) d 108 0logh 30logλ + 0logm 51.4 ( ) 51.4 α / 10log( sin / ) d [dt] 0log(1/ µ 0 ) 118 H( ) 133.4 α / 10log( sin / ) d [da/m]
System Sefe - 76 Hz - pot sygnłu WTF + MTF m 3.510 h 65[km] f γ 1 10 λ 3.95[] v / c 1.1 v / c 1.1 [A m ] H( ) 133.4 α / 10log( sin / ) d [da/m] H( ) 131.8 + 0logE α / 10log( sin / ) d [da/m] [Fse-Smith, nniste 1995] E 55900 0.781 h c/ v H( ) 133.9 α / 10log( sin / ) d [da/m] 10[] ( ) 71.9 [dt] ( ) 0.06 [pt]
System Sefe - odbió w stcji Hylty WTF + MTF Moc [pt /Hz] 10000 1000 100 10 1 0.1 0.01 0.001 0.0001 ~16.667 Hz 50 Hz ~78 Hz 76 Hz 8 Hz 0 10 0 30 40 50 60 70 80 90 Częstotliwość [Hz]
System Zevs - 8 Hz ndjnik: KPTH (półwysep Kol) [nniste 1976, Wolkoff nd Kime 1993] σ g 10-5 [S/m] wstw podwójn h g σ d w h g 10[km] l 55[km] I 10[km] 10-3 00[A] [S/m] σ g σ d >> σ g h g w h g m 00[A] 55[km] 10[km] 1.110 11 [A m ] λ 3.65[] 10[] 0[] S N S N.3[d] 31.6 [d] 10 log π λ 9.3 [d]
System Zevs
System Zevs - 8 Hz - pot sygnłu KPTF m 1.110 h 65[km] f γ 1 11 λ 3.65[] v / c 1.1 [A m ] ( ) α / 10log( sin / ) d 108 0logh 30logλ + 0logm 4.5 ( ) 4.5 α / 10log( sin / ) d [dt] 0log(1/ µ 0 ) 118 H( ) 14.5 α / 10log( sin / ) d [da/m] litetu : H( ) 15.9 α / 10log( sin / ) d [da/m] 10[] ( ) 63.0 [dt] ( ) 0.07 [pt]
Pc pod wodą
Pc systemów pod wodą (0) ϕ d σ 3[S/m] δ 5[m] T d 8.69 δ [d] d 300[m] T 104.3[d] oczekiwne ϕ ( 0) 0.07 [pt] nten 3 m n 0.00003 [pt] T 66.7 [d] możliwe
Co z tego wynik dl bdń dolnej jonosfey? stcje możn tktowć jko becony do bdń popgcji, le czy moc ndwn jest stł? czy nie są obcne wiązki? jk jest stłość pcy nten ziemnych? czy są zsilne pądowo? możn powdzić pomiy óżnicowe stcje n kole wielkim możn miezyć opóźnienie fzowe możn miezyć óżnicę mplitud ciekwe testy - czy istnieje czn dziu sygnłu H?
udow włsnego ndjnik doświdczlnego bk egulcji pwnych f < 10 khz 1 etp - stef blisk pol nteny nten w płszczyźnie xz: y ( y) µ m π 0 1 y 3 e iωt pole podłużne odebne min n f γ l 500[m] P 100[W] 5 m 10 [Am ] y y 6 1 γ f 50[km] 3 µ 0m π n etp - stef flow l 5000[m] P 1000 [W] 7 m 10 [Am ] x 10 000[km] fle popzeczne
Wnioski
pol elektyczne: Refleksj - jk silne są sztuczne pol ELF? chmu buzow 5 10 4 V/m lini wysokiego npięci 10 4 V/m monito tdycyjny 300 V/m stłe pole ntulne Ziemi 100 V/m ntulne pole zmienne Ziemi 40010-6 V/m 400 µv/m czułość eceptoów biologicznych 10-6 V/m 1 µv/m pol mgnetyczne: duże elektomgnesy (EPR, NMR) 1 T pmięci mgnetyczne - dyskietk 10-3 T 1 mt ziemskie stłe pole mgnetyczne 1510-6 T 5 µt pole mgnetyczne sec 10010-1 T 100 pt zmienne pol ntulne Ziemi 1010-1 T 10 pt spontniczn ktywność mózgu 10-1 T 1 pt stcje łączności globlnej ELF 510-13 T 0.5 pt poziom szumu nten bieszczdzkich 510-14 T 0.05 pt Dweniczek - 007