Ausbreitung sehr langer Radiowellen im Lichte der Geophysik
Werbung
KRIEG IM AETHER Vorlesungen an der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich im Wintersemester 1974/1975 Leitung: Abteilung für Übermittlungstruppen, Divisionär A. Guisolan Ausbreitung sehr langer Radiowellen im Lichte der Geophysik Referent: Dr. Jean Rieker Diese Vorlesung wurde durch die Stiftung HAMFU digitalisiert und als PDF Dokument für www.hamfu.ch aufbereitet. Ausbreitung sehr langer Radiowellen im Lichte der Geophysik - Vorlesung Krieg im Aether 1974/1975 (ETH Zürich) HAMFU History 2-1 Ausbreitung sehr langer Radiowellen im Lichte der G e o ph y si k Dr. J e a n Rieker Einleitung In der Nachrichtentechnik versteht man unter dem Begriff der langen Wellen diejenigen elektromagnetischen Wellen, deren Vakuum-Wellenlänge X grösser als 1 km ist. Dieser Spektralbereich wird noch in drei Teilbereiche unterteilt: a) Langwellen mit Wellenlängen zwischen 1 km und 10 km. Ihr Frequenzbereich reicht von 300 kHz bis 30 kHz und wird durch das Symbol "LF" (low frequencies) abgekürzt. b) Längstwellen mit Wellenlängen zwischen 10 km und 100 km, bzw. Frequenzen zwischen 30 kHz und 3 kHz (VLF very low frequencies). c) Extrem lange Wellen mit Wellenlängen grösser als 100 km oder Frequenzen kleiner als 3 kHz (ELF extremely low frequencies). Die Einteilung der langen Radiowellen ist ganz willkürlich. Es stellt sich jedoch heraus, dass durch diese Spektralbereiche gerade verschiedene Ausbreitungsmechanismen im Wellenleiter zwischen Erde und Ionosphäre voneinander abgegrenzt sind, vorausgesetzt, dass die Zahlenangaben der Bereichsgrenzen nicht wörtlich, sondern als Grössenordnungen genommen werden. Längstwellen werden in globalen Navigationssystemen und bei der Uebertragung von Normalfrequenzen in immer stärkerem Masse verwendet. Ihre Ausbreitungseigenschaften innerhalb der Erdatmosphäre werden daher seit geraumer Zeit eingehend untersucht. Die Erdoberfläche ist ein guter Reflektor für solche Wellen. Ebenso bildet die ionosphärische D-Schicht in etwa 60 bis 70 km Höhe einen mehr oder weniger undurchlässigen Wal 1. Ein Längstwellensender, der auf der Erdoberfläche aufgestellt ist, strahlt also seine Energie in einen Wellenleiter hinein, der vom Erdboden und von der ionosphärischen D-Schicht begrenzt wird. Nun ist die Höhe dieses Wellenleiters kleiner als 100 km, d.h., von der gleichen Grössenordnung wie die Wellenlänge der Längstwellen. Zur quantitativen Beschreibung des Ausbreitungsmechanismus der Längstwellen genügt daher die einfache strahlenoptische Betrachtungsweise häufig nicht mehr, und wir müssen die strenge wellenoptische Theorie verwenden, wie sie z.B. bei der Ausbreitung von Mikrowellen in technischen Hohlleitern gebraucht wird. Während die Reflexionseigenschaft der Erdoberfläche sich zeitlich kaum ändert, ist die Ionosphäre ständigen Wandlungen in Zeit und Ort unterworfen. Diese Wand des atmosphärischen Wellenleiters verändert sowohl ihre Reflexionseigenschaften als auch ihren Abstand zur Erdoberfläche periodisch (z.B. infolge der tageszeitlichen Variation der Sonneneinstrahlung), oder sporadisch (z.B. als Folge einer Sonneneruption). Die Beobachtung der Längstwellenausbreitung und ihrer Variationen bildet daher ein wichtiges Werkzeug in der Hand des Ionosphären-Physikers, der sich über den physikalischen Zustand der unteren Ionosphärenschichten informieren möchte. "Krieg im Aether", Folge XIV © HAMFU - www.hamfu.ch Seite 1 Ausbreitung sehr langer Radiowellen im Lichte der Geophysik - Vorlesung Krieg im Aether 1974/1975 (ETH Zürich) HAMFU History 2-2 1. Sehr lange Radiowellen als Uebertragungsmittel Sämtliche Radioübermittlungs-Systeme im Frequenzbereich zwischen VLF und HF, sei es für die Feststellung der Standorte in Flug- und Schiffahrt (Navigation) oder für den Fernmeldeverkehr, werden von der Ionosphäre beeinflusst, wenn sie auf Entfernungen von 1000 km oder mehr operieren. Die Uebertragung auf grosse Distanzen ist nur Dank der Ionosphäre möglich. Die Schwankung der Ionosphäre ist der Hauptgrund für die Unzuverlässigkeit solcher Uebertragungssysteme. Für die Navigationssysteme ist die Stabilität der relativen Phase des übertragenen Signals von grösster Wichtigkeit; es sind die ionosphärischen Bedingungen, welche die Variabilität der Phasenverschiebung des übertragenen Signals beherrschen und welche schlussendlich die Genauigkeit von solchen Uebertragungssystemen bestimmen. Die Systeme Decca (70-130 kHz) und Loran C (100 kHz) (Doherty et al., 1961; Shapiro und Fisher, 1970) ergeben bemerkenswerte Präzisionen, weil die empfangenen Signale durch Bodenwellen erhalten werden. Wenn die ionosphärische Komponente der Signale überwiegt, nimmt die Präzision des Systems rasch ab. Die VLF-Radiowellen besitzen die Eigenschaft, sich Uber die ganze Erdkugel zu verbreiten, mit nur schwacher Dämpfung von 2 bis 3 db/Mm,1 Mm = 1000 Km. Weiter haben die VLF-Wellen folgende bemerkenswerte Eigenschaft: Die Phasenverschiebung, die auf gegebene grosse Entfernungen von der Signalverteilung abhängig ist, folgt einem vorhersehbaren Modell (über 24 Stunden). Diese Eigenschaft wird in der Navigationstechnik ausgenützt und erlaubt, eine Präzision von 1 bis 2 km. Die Variabilität der Ionosphäre bedingt jedoch letztlich die VLF-Navigationssysteme (Morgan et al., 1965). Da bekanntlich die Ionosphäre in höheren Breiten unruhiger ist als in temperierten und tropischen Gebieten, erleiden die Leistungen von solchen VLF-Radiosystemen verschiedene Verschlechterungen in der Polargegend (Burgess, 1968). Das System OMEGA (Luken et al., 1970) stützt sich auf einen Phasenvergleich der übermittelten Signale eines Komplexes von 8 VLF-Senderstationen, mit Frequenzen zwischen 10 und 14 kHz. Diese Stationen sind über die ganze Erdoberfläche verteilt und 9000 bis 11000 km voneinander entfernt. Der Phasenvergleich der Signale von zwei Sendern erlaubt das Einzeichnen von einer Parabelnfamilie d.h. geometrische Orte der verschiedenen Phasenkonstanten, die für den Navigator Positionslinien darstellen. Im Hinblick auf die Eigenschaften der hohen Phasenstabilität und der schwachen Dämpfung eines VLF-Signals erlaubt die mit einem Caesium Oszillator gesteuerte Emission, welche auf ca.10|000 km aufgenommen wird, der Abweichung von zwei geeichten Oszillatoren zu folgen: nämlich demjenigen des Senders und dem des Empfängers. Aus dieser Abweichung lässt sich leicht die Voreilung oder Verzögerung eines Normal-Oszi11ators im Vergleich zum andern feststellen. Es ist uns heute möglich, Referenzuhren auf der ganzen Erdkugel auf ca.eine Mikrosekunde genau zu synchronisieren (Blair et al., 1967). Was die Fernmeldeverbindung anbetrifft, haben die VLF-Radiowellen, wegen ihrer schwachen Dämpfung im Wellenleiter Erde-Ionosphäre, eine praktische Anwendung in der militärischen Strategie gefunden. Die Zuverlässigkeit der Uebermittlungssysteme im Frequenzbereich HF und MF kann nicht garantiert werden wegen den Langzeitschwunden, die von der Sonnentätigkeit abhängen und vor allem in den Polargebieten auftreten. Auch wenn die Amplitude und Stabilität der VLF-Wellenphasen Veränderungen unterworfen sind, so ist die Lautstärke des Signals meistens genügend, um den korrekten Empfang der Durchgaben zu gewährleisten. In diesem Zusammenhang ist noch das Projekt Sanguine (Bernstein et al., 1974) der U.S. Navy zu erwähnen, d.h. die Entwicklung eines Uebertragungssystems sehr tief unter Wasser im Bereich der ELF mit einer Trägerfrequenz von weniger als 100 Hz (Ä > 3000 km). Die Vorteile dieses Navigationssystems sind folgende: © HAMFU - www.hamfu.ch - das Signal kann sehr tief ins Meerwasser eindringen, so dass das Unterseeboot mit seiner Empfangsantenne nicht auftauchen muss. - die Dämpfung der ELF-Signale mit der Entfernung ist sehr gering, so dass ein genügend starker Sender die ganze Erdkugel bedienen kann. - die Ausbreitung im Wellenleiter ist sehr stabil, verglichen mit den VLF- und HF-Radiowellen. - es besteht die Möglichkeit,einen ELF-Sender zu bauen, der einem atomaren Angriff standhalten kann und operationel bleibt. Seite 2 Ausbreitung sehr langer Radiowellen im Lichte der Geophysik - Vorlesung Krieg im Aether 1974/1975 (ETH Zürich) HAMFU History 2-3 2. Studium der Uebertragungswege Für die Forschung des Erdinnern, insbesondere für die elektrischen Eigenschaften der Felsen und deren Strati fikation, wurde die VLF-Technik für Messungen durch oder in der Erdschicht verwendet (Albrecht, 1967; Albrecht und Kaczmarczyk, 1967). Bei Messungen im Meerwasser hängt das Verhalten des elektromagnetischen VLF-Feldes auf der gewellten Oberfläche von der Ausbreitungsrichtung der VLF-Radiowellen in Bezug auf den Kamm der Meereswellen ab. Wenn die Messungen zwischen 10 und 30 m unter der Wellenmulde (Wellenhöhe 30 60 cm) durchgeführt werden, sind die durch Wasserwellen bedingten Veränderungen des Feldes gering. Bei höherem Wellengang schwanken die Phase und Dämpfung mit der Höhe der Wasseroberfläche Uber der Antenne (Lerner und Max, 1965). In der Atmosphäre breiten sich die VLF-Wellen meistens im Wellenleiter Erde-Ionosphäre aus. Während sich die Parameter in Bezug auf die untere Wand des Wellenleiters praktisch konstant verhalten, variieren diejenigen der Ionosphäre mit dem Zenitwinkel der Sonne, der Sonnenaktivität und des Magnetfeldes der Erde (mit Hinweis auf das Vertikal profil der Elektronendichte, die Stosszahl der Elektronen mit den Ionen, die Winde in der höheren Atmosphäre). Wie verhält es sich eigentlich mit der normalen täglichen Ausbreitung eines VLF-Signals auf eine lange Strecke (Fig. 1 ) ? 100 March 19. 1965 NSS 21,4 k c / s March 18. 1965 NSS 21.4 k c /s HS 80 J 60 40 20 I 1 1600 h Fig.1 1800 h I I I 2200h 2400h I 020 0h ! 0400 h I 0600 h I I 1 I 1000 h 1200h 1400 h uT Relative Phase (obere Kurve) und Amplitude (untere Kurve) NSS-Signal (21,4 kHz) (Annapolis, Md). Registrierung von Zürich (MZA) vom 18. März 1965 (14.00 uT) 19. März 1965 (14.00 uT) Man stellt zuerst fest, dass die relative Phase und die Amplitude tagsüber viel stabiler sind als nachts. Anderseits stellt sich während des Sonnenuntergangs auf der Wellenstrecke eine Verzögerung ein, die jedoch durch einen Vorschub von gleichem Ausmass während des Sonnenaufgangs ausgeglichen wird. Die Phasendifferenz zwischen Tag und Nacht wird durch die Emissionsfrequenz und durch die Länge der Ausbreitungsstrecke mit deren Sonnenbestrahlung bedingt. Im Grunde genommen ist sie eine Folge der Höhenveränderung der unteren Ionosphäre. Die D-Schicht (65-70 km) verschwindet während der Nacht, so dass der Wellenleiter durch den unteren Teil der E-Schicht (80-85 km) begrenzt ist. Die Amplitude wird aufeinanderfolgenden Schwingungen unterworfen, während der Grenzschatten längs der Ausbreitungsstrecke wandert (Rieker, 1963). Dieses Phänomen hängt mit der Interferenz der Ausbreitungsmode zusammen (Crombie, 1964 a, 1964 b, 1966). Wenn man die Parameter eines entsprechenden theoretischen Ionosphärenmodel les variieren lässt, so ist es möglich, eine Anpassung des Verhaltens der Phasen und der Amplitude mit der relativen Phase und der aufgefangenen Amplituden zu erreichen. Diese Methode erlaubt, elektronische Parameter der D-Schicht sowie die Höhe der D-Schicht im Vergleich zur E-Schicht,festzustellen (Wait, 1959). Die nun folgenden Beispiele werden die Arten von ionosphärischen Störungen, welche die elektromagnetischen VLF-Wellenausbreitung hindern können,festlegen. * © HAMFU - www.hamfu.ch Seite 3 Ausbreitung sehr langer Radiowellen im Lichte der Geophysik - Vorlesung Krieg im Aether 1974/1975 (ETH Zürich) HAMFU History 2-4 Das erste Beispiel zeigt das Vorkommen einer Anomalie im Bereich des geomagnetischen Aequators; es existiert nämlich eine Asymmetrie zwischen den Phasenaufnahmen und der Amplitude des NBASignals (Balboa-Panama), die gleichzeitig auf ungefähr gleichen Distanzen empfangen werden, d.h. in Boulder (Colorado) und in Tucuman (Argentinien) (Chilton et al., 1964). Die Strecke NBA-Tucuman schneidet den geomagnetischen Aequator (Fig.2). Fig.2 VLF-Ausbreitungsstrecken: NBA-Boulder NBA-Tucuman und Geomagnetischer Aequator am Boden (dünne Linie) Geomagnetischer Aequator in 100 km Höhe (dicke Linie) (Chilton et al., April 1964) © HAMFU - www.hamfu.ch Seite 4 Ausbreitung sehr langer Radiowellen im Lichte der Geophysik - Vorlesung Krieg im Aether 1974/1975 (ETH Zürich) HAMFU History 3 -5 Die Registrierungsgestalt der Amplitude ist beidseitig verschieden. Die Amplitude variiert wenig in Boulder, während sie in Tucuman tagsüber deutlich höher liegt als nachts. Das Feld ist schwächer als in Boulder (Fig.3). NBA - B O U L D E R 18 A P R I L 1 9 6} 50 > 400 150 U in 1 X H O 2 kl « (-> V) 9u ß-zo o & s H t 2 5 01» L I I 1 I I 1 I L 11 12 HOURS UT 00 0 r- NBA - T U C UM A N 18 A P R I L 1963 5 0 200 su BS u H Ol 0 0 160 140 H U 3L X H 13 z 120 H OS >15 0 H 100 80 S 0.2 0 0 IA g a I« Q U m h 40 2 5 0 U I I I I I ' 'I 00 04 I ' ' I I ' I I I I I I I I I I I 08 12 16 20 00 HOURS U T Fig.3 Beobachtung des 18-kHz Signals von NBA in Boulder, Col., U.S.A. und in Tucuman, Argentinien vom 18. April 1963 (Chilton et al., April 1964) - Man nimmt an, dass der Grund dieser Unterschiede die Breitenvariation der Ionisation ausmacht, welche durch die kosmischen Strahlen ausgelöst wird und im Bereich des geomagnetischen Aequators nicht existieren sollte. Die Ausbreitungsunregelmässigkeiten im VLF-Wellenbereich werden vielfach von der Sonneneruption verursacht. Diese Anomalien werden Mödel1inger-Effekt genannt. Die X-Strahlung, welche die Sonneneruptionen begleiten, verursachen eine starke Ionisation der D-Schicht zwischen 60 und 70 km. Diesen Eruptionen folgen manchmal Protonenniederschläge, die mit gewisser Verspätung die Polargebiete erreichen und Uber mehrere Tage die Uebertragungen beeinflussen. Für die H F und MF Uebertragungen tritt in solchen Fällen meistens ein kompletter Langzeitschwund auf, während die VLFSignale in den Polargebieten schwächer, in südlicheren Strecken jedoch stärker werden (Fig.4 Seite 3-6). © HAMFU - www.hamfu.ch Seite 5 Ausbreitung sehr langer Radiowellen im Lichte der Geophysik - Vorlesung Krieg im Aether 1974/1975 (ETH Zürich) HAMFU History 2-6 NBA(FANAMA)-BOULDER GBR (RUGBY ) COLLEGE ( FAIRBANKS) 28-SEPT. I I I I I M Fig. 4 DAY AVERAGE I NBA ( P A N A M A ) - M A U I M 23 00 I I I I I I M I Aufzeichnung der VLF-Phasenregistrierung von Panama nach Boulder, von Panama nach Maui und von Rugby nach College (Fairbanks) Aufnahmen vom 28. Sept.1961 (Jean und Crary, 1962, Fig.3) H RS. UT EVENT PEAK BURST SIGHTING Am 28. September 1961 wird eine wichtige Veränderung der relativen Phase auf den 3 Uebermittlungsstrecken festgestellt: Baiboa, Panama (NBA-18 kHz) bis Boulder, Colorado = 4259 km, Wellenausbreitungsweg im Tageslicht. Rugby, England (GBR-16 kHz) bis College, Alaska Tageslicht. = 6650 km, wovon 2650 km Ausbreitungsweg im Baiboa, Panama (NBA-18 kHz) bis Maui, Hawaii = 8283 km, Wellenausbreitungswege im Tageslicht. Eine qualitative Studie der Signalschwankungen auf einer gegebenen Strecke muss die Zenitdistanz der Sonne berücksichtigen. Für die Strecke NBA-Maui und NBA-Boulder hat sich die Reflexionshöhe der D-Schicht um 6,7 km verringert (Jean und Crary, 1962) (Fig. 4). Im folgenden Beispiel (Fig.5) vergleicht man die Variation des Signals NPG-18,6 kHz (Seattle, Wash.) auf der Strecke NPG-Payerne (8800 km) und den Zustrom von energetischen Partikeln, die durch den Satelliten IMP-3 am 7. Juli 1966 empfangen wurden (Oelbermann, 1970). Fig.5 © HAMFU - www.hamfu.ch Korrelation NPG-Payerne VLF Amplitude (18,6 kHz) und Satelliten Teilchenfluss 7. - 8. Juli 1966 (Oelbermann, 1970, Fig.2) Seite 6 Ausbreitung sehr langer Radiowellen im Lichte der Geophysik - Vorlesung Krieg im Aether 1974/1975 (ETH Zürich) HAMFU History 3 -7 Das beobachtete Phänomen wird Polar Cap Absorption (PCA) genannt. Der normale, ungestörte Verlauf des Signals am 4., 5. und 6. Juli verzeichnet einen mittleren Wert von ungefähr 15 db höher als 1 Mikrovolt per Meter vor dem Ereignis. Am 7. Juli gegen 02.00 Uhr wird eine plötzliche Erhöhung des Zustroms von hochenergetischen Partikeln vom Satelliten IMP-3 festgestellt. Der maximale Zustrom von 30 Partikeln pro cm2 s ster (mit einer kinetischen Energie höher als 15 Mev) trifft zeitlich mit einer starken Schwächung des Signals zusammen, das auf dem Höhepunkt des Zustroms auf mehr als 30 db geschätzt wird. Die Abnahme des Partikel Zustroms (punktierte Linie) stimmt relativ gut mit dem Signalverlauf Uberein, der nach und nach seinen Normalwert wieder aufnimmt. Es besteht weiter eine offensichtliche Beziehung zwischen den Extremen der Sonnenaktivität und der mittleren Amplitude des VLF-Signals (18,6 kHz) auf der Strecke NPG-Payerne. Das Signal ist in der nördlichen Hemisphäre, im Winter und Herbst, während der Nacht höher als tagsüber und zwar ebenso beim Maximum der Sonnenaktivität wie auch beim Minimum (Fig,6). FEB JAN MAY APR MAR JUN JULY 0400 UT, PATH DARK 40 - L 30- — 20 - o > o en o 1600 UT, PATH DAYLIGHT 10- A AUG co I SEPT I OCT | NOV | S U N SP O T MI N DEC DATA (1965-66) 0400 UT, PATH DARK S UN S POT MAX DATA (1968-69) 1600 U T , P A T H D A Y L I G H T Fig.6 NPG-Payerne, Vergleich der Solarminimum und Solarmaximum VLF-Daten (Oelbermann, 1970, Fig.9) SUNSET TIME no-— Ä1, - 0IJV- , AMPLITUDE ! (indexes ti r—I P 50« 40 < 30: 1 r~ REL. PHASE (fJSec) ZENITH ^ „ J S G ^ J '1 ANGLES AMPLITUDE N , (indexes) REL. PHASE tfi: Fig.7 UJ -, 0—*, AMPLITUDE UOE £ 20- ( indexes ) " I " REL. PHASE (/usee ) 5 -XH I IXIIII' XII1 T~iv~T V TVTTvil I Vili I I« I X I XI I XII [ I I II ^ III T IV 1 V ' VP"»«1 VI I 1 IX 1969 © HAMFU - www.hamfu.ch Halbjährliche Variation der Amplitude des NPGSignals (18,6 kHz, Seattle, Wash.), registriert in Payerne von 1967 bis 1969, in Funktion der Zenitvvinkeln der Sonne auf die Strecke des NPGPayerne (Rieker, 1974). Seite 7 Ausbreitung sehr langer Radiowellen im Lichte der Geophysik - Vorlesung Krieg im Aether 1974/1975 (ETH Zürich) HAMFU History 2-8 Das letzte Beispiel (Fig.7) illustriert eine halbjährliche Variation der Amplitude der VLF-Signale. Man unterscheidet zwei Maxima (Sommer und Winter) und zwei Minima (Herbst und Frühling). Während das Sommermaximum mit einer progressiven Erhöhung der Elektronendichte zusammenhängen kann, welche durch die Verringerung des Sonnenzenitwinkels auf der ganzen Strecke bedingt ist, wird das Wintermaximum der Dynamik der hohen Atmosphäre zugeschrieben (Rieker, 1974). Atmosphärische Störungen auf sehr langen Radiowellen Die langen elektromagnetischen Wellen können jedoch auch natürliche Ursachen haben. Jeder Blitz ist ein breitbandiger Sender im Längstwellenbereich, dessen Energie entweder direkt im atmosphärischen Wellenleiter an einen Empfänger gelangt (Atmospheric), oder aber sich längs der Kraftlinien des erdmagnetischen Dipolfeldes durch die Exosphäre ausbreitet (Whistler). In der Exosphäre selbst, d.h. in Höhenbereichen oberhalb etwa 600 km, kann durch die Wechselwirkung zwischen hochenergetischer solarer Partikelstrahlung und dem Plasma, VLF- und ULF-Energie erzeugt werden, die am Erdboden als natürliche VLF-Strahl ung bzw. als hydromagnetischer Whistler beobachtet wird. Die Wellenlänge der hydromagnetisehen Wellen kann solche Grössen erreichen, dass sich stehende Wellen längs der Kraftlinien des Erdmagnetfeldes bilden können, durch die ein bestimmter Typ der Pulsationen des Erdmagnetfeldes mit Periodendauern von der Grössenordnung 1 Minute erklärt wird. Die klassischen Beobachtungstechniken der Atmospherics hängen stark von den wissenschaftlichen Zielsetzungen ab. Vom meteorologischen Standpunkt ist man vor allem an der Lokalisierung der Gewitter interessiert, damit die Gewittertätigkeit abgeschätzt werden kann. In den meisten Fällen genügen qualitative Messungen. Die Analyse der Wellenform der Atmospherics von weitentfernten Quellen hat zu interessanten Ergebnissen geführt, was die Ausbreitung anbetrifft. Die Eigenschaft der Nicht-Reziprozität als Folge der Anisotropie der Ionosphäre konnte eindeutig durch das Magnetfeld der Erde festgestellt werden. Die Verechnungen der Dämpfung mit der Distanz, gestützt auf theoretische Modelle der Ionosphäre, stimmen mit der Praxis überein. Die umgekehrte Prozedur ist jedoch nicht genügend empfindlich, um die ionosphärischen Parameter von den Ausbreitungsmessungen abzuleiten (Horner, 1970). Die elektromagnetische Strahlung eines Blitzes ist auf das ganze Frequenzspektrum verteilt. Die spektrale Energie weist zwei Maxima auf, eines im ELF-Bereich (Extrem Low Frequency, f < 3 kHz), das andere im VLF-Bereich (3 < f < 30 kHz), getrennt durch ein Minimum zwischen 2 und 4 kHz (Fig.8). «nnM •800 m r Feld - starke 11.XL 1 9 6 3 0 0 Fig,8 © HAMFU - www.hamfu.ch 10kHz Frequenz 20 kHz Atmospheric und zugehöriges Amplitudenspektrum (Heydt, 1972). Seite 8 Ausbreitung sehr langer Radiowellen im Lichte der Geophysik - Vorlesung Krieg im Aether 1974/1975 (ETH Zürich) HAMFU History 2-9 Auf grosse Entfernungen stellt diese Strahlung den vorherrschenden Anteil des elektrischen Feldes dar^und die daraus folgende Form der Wellen oder Pulsation ist ein Beitrag der Quelle und der Ausbreitungseinflüsse (Heydt, 1972). Nach seiner Spektral Verteilung kann man das Atmospheric in drei Frequenzklassen einteilen: das normale VLF-Atmospheric, das ELF-Atmospheric oder "slow tail" und das VLF-Echo-train-Atmospheric. Das ELF-Atmospheric zeichnet sich gegenüber dem gewöhnlichen VLF-Atmospheric durch einen grösseren niederfrequenten Anteil aus, der als Quellbeitrag anzusehen ist. Das VLF-Echo-train wird den Ausbreitungsbedingungen zugeschrieben. Es wird hauptsächlich nachts beobachtet, wo die "Echo-Pulse" dem ersten Puls in Abständen von mehreren Millisekunden f o lg e n ^n d zwar je nach Entfernung der Quelle zum Empfänger. Der nullte Mode der TM-Welle dominiert im ELF-Bereich; zwischen 2 und 4 kHz löst er sich von dem ersten Mode. Zwischen 5 bis 50 Hz wirkt der Wellenleiter Erde-Ionosphäre wie ein Hohlraumresonator, der durch die Tätigkeit der Atmospherics angeregt wird. Die Resonanzfrequenzen oder "Schumannfrequenzen" sind: 1/2 f- f, 2 bei ca. 8 , 14 , 2 0 , . . . Hz (n= 1.2.3. Man kann bis zu 7 Modes feststellen. Der Anteil zwischen 3 und 10 kHz im VLF-Bereich,der einer Dämpfungsabnahme des ersten Modes entspricht, ist der geeignetste für die Messungen zur Ueberprüfung der Hypothese von Wilson (1920). Das elektrische Feld oberhalb der Erdoberfläche ist in der klassischen hypothetischen Aufzeichnung von Wilson (1920) dargestellt, nicht als ein einfaches elektrostatisches Feld oberhalb einer negativ geladenen Erde, sondern als eine Folge des Potentialgefälles an den Klemmen eines durch die Luft gerichteten Widerstandes.- Diese Strömung wird durch die Gesamtheit der aktiven, über die ganze Erdkugel verteilten Gewitterzellen hervorgerufen und aufrecht erhalten; Gewitterzellen, die in den meisten Fällen im obern Teil positiv und im untern Teil negativ geladen sind. Die Annahme der Hypothese Wilson setzt voraus, dass das elektrische System in einem geschlossenen Stromkreis wirkt, ohne äussere Intervention, und dass die Ionosphäre durch eine äquipotentiale Fläche dargestellt ist. Die Frage, die sich die Spezialisten der atmosphärischen Elektrizität stellen, ist: Wie erkennt man die Art der Generatoren, der diesen ständigen Potenti al unterschied zwischen Erde und Ionosphäre verursacht? Die globale elektrische Gewittertätigkeit ist bestimmt einer der Gründe; denn die Blitze, die im Grunde genommen im Gewittergenerator Kurzschlüsse darstellen, transportieren bemerkenswerte Strombelastungen zur Erde. Der einzige, zur Verfügung stehende messbare Parameter ist die globale Gewittertätigkeit, d.h. die Zählung der Entladungen. Unter der Leitung der "Internationalen Kommission für atmosphärische Elektrizität" wird zur Zeit ein Netz von 8 identischen Stationen erstellt, das die gesamte Erdkugel überdecken sollte. Dank der Unterstützung des Schweiz. Nationalfonds konnte eine solche Station in Payerne gegründet werden. Seit einem Monat ist sie nun betriebsfähig. Im Gegensatz zu den alten Röhrenempfängern wurde diese Station nach der modernen Technologie erbaut. Eine der Erneuerungen .besteht darin, dass der VLFAA-Empfänger (Very Low Frequency Atmospherics Analysator) neben der Richtung auch Entfernungen der Gewitterherde festhält. Eine kurze Beschreibung des VLFAA wird nun angeführt. Sein Prinzipschema ist in Fig.9 dargestellt. > VLF \ Uy Atmospherics Analysator Antennensystem -> U|gA7 u v9 -5 -> U A t g 8 - 6 Um," UN UN UNN > ^ r fotographische Registrierungen für SchreiberRegistrierungen U k a > U0 Fig.9 © HAMFU - www.hamfu.ch Prinzip-Schema des VLFAA. Seite 9 Ausbreitung sehr langer Radiowellen im Lichte der Geophysik - Vorlesung Krieg im Aether 1974/1975 (ETH Zürich) HAMFU History 3-10 Die Antennen ermitteln folgende Spannungen: ux: im Ost-West-Rahmen durch ein Atmospheric in der Antenne erzeugte Spannung; sie ist proportional zu uy: — dt cosç im Nord-Süd-Rahmen durch ein Atmospheric in der Antenne erzeugte Spannung; HM sie ist proportional zu u_: — dt sings in der Stabantenne durch ein Atmospheric erzeugte Spannung; dE sie ist proportional zu — mit : t = Zeit, dt <f> = Einfallsrichtung H = Magnetische Feldstärke des Atmospherics E = Elektrische Feldstärke des Atmospherics Mit dem Oszilloskop werden folgende Ausgangsspannungen des Analysators misst den Einfallswinkel gespeichert: des Atmospherics u lgA7 : die spektrale Amplitude des Atmospherics bei 7 kHz u V9-5" das Verhältnis der spektralen Amplitude jedes Atmospherics bei 9 und bei 5 kHz U Atg8-o: die Differenz zwischen der Eintreffenszeit der spektralen Amplitude von 6 kHz und von 8 kHz (GDD Group Delay Time Difference) bestätigt, dass die oben gemessenen vier Spannungen vom gleichen Atmospheric abhängig sind. Sie wird bei der Auswertung nicht gebraucht Die für die analogen Registrierungen vorgesehenen Spannungen sind: ¥ gibt die Anzahl der Atmospherics bei 5 kHz an, in einem 2-Minutenintervall (Messbereiche: 9000, 3000 und 900 Impulse, entsprechen einer Spannung von -10V ) wie U ^ aber in einem gegebenen Sektor (Messbereich: 3000, 1000 und 300 Impulse, entsprechen einer Spannung von -10V) wie U N aber mit GDD (Group Delay Time Difference) zwischen -125 und +150 w s bei 8 und bei 6 kHz KA' ist zusammen mit U^ eine Funktion des Amplitudenverhältnisses Es gilt: U = KA N max r J J o a X SA Uyg_5 (N) dN S A 5 (N) die durch U^ angegebene Zahl der Atmospherics SA g : bzw. SAg ist die spektrale Amplitude jedes Atmospherics bei 9 bzw. 5 kHz V gibt einen mittleren GDD (8-9 kHz) in der Nähe eines GDD-Nullpunktes in einem vorher gewählten Sektor. Es gilt GDD = - U Q 62,5 /is/V. U Q wird nur in dem Moment berücksichtigt, wo U NfJ grösser ist als 2V (Fig. 1 0 , Seite 3-11 und Fig. 11 Seite 3-12) © HAMFU - www.hamfu.ch Seite 10 Ausbreitung sehr langer Radiowellen im Lichte der Geophysik - Vorlesung Krieg im Aether 1974/1975 (ETH Zürich) HAMFU History 3-11 Z UJ >- < a © HAMFU - www.hamfu.ch Seite 11 Ausbreitung sehr langer Radiowellen im Lichte der Geophysik - Vorlesung Krieg im Aether 1974/1975 (ETH Zürich) HAMFU History 2-12 0 2 6 I — h + H 12 24 1 36 + 8 U,gA7 [V] 1- ' a +48 SA 7 [dB] 8 r 0 UçJVlî N 6 .V.i.Vc 4+W 2-S o .• « '• JV/A.-. V 2 +8tÔ12 6 4 H 1 0 +8 UV9-51V] h +12 +24 +36 SAR 9-5 [dB] < u^lVlî 6+N S.V-- 4-W 2-S o V 4 H -250 0 1 6 1 b 8 UATG8_6[V] +250 +500 +750 GDD8-6[^s] U y l V ] T 6--N s» •• 4-W Fig.11 2 S 0 0 Photographische Registrierung mit dem Oszilloskop. Von oben nach unten: - spektrale Amplitude der Atmospherics bei 7 kHz - Verhältnis der spektralen Amplitude der Atmospherics bei 9 und 5 kHz - Differenz zwischen dem Eintreffen der spektralen Amplitude von 6 kHz und der von 8 kHz (GDD = Group Delay Time Difference) in Funktion des Azimuts © HAMFU - www.hamfu.ch Seite 12 Ausbreitung sehr langer Radiowellen im Lichte der Geophysik - Vorlesung Krieg im Aether 1974/1975 (ETH Zürich) HAMFU History 3 -13 Es ist verfrüht,schon heute konkrete Ergebnisse geben zu wollen, da die Versuche noch im Anfangsstadium stehen und noch über einen kompletten Sonnenzyklus (11 Jahre) dauern sollten. Man kann jedoch bereits eine bemerkenswerte Tatsache hervorheben betreffend die Photoaufnahmen, die durch Dr. Harth in Bonn publiziert wurden (Harth, 1972). Im Falle von langanhaltenden Gewitterherden zeigen die Parameter eine typische Variation tagsüber, als Folge der Veränderung der Ausbreitungsbedingungen. Bei der kontinuierlichen Analyse (z.B. alle 10 min) der Photoaufnahmen solcher Herde stellt man häufig fest, dass die 2 Parameter GDD und SAR und der Einfallswinkel schwanken. Die nächste Figur (Fig.12) verdeutlicht diesen Einfluss auf einer in Spanien lokalisierten Quelle. 210' -j 1 I I 1— 13 14 15 16 17 Time of Day (UT) Fig 12 © HAMFU - www.hamfu.ch Parameter GDD und SAR mit dem Einfallswinkel für einen Herd über Spanien. (Harth, 1972, Fig.11). Seite 13 Ausbreitung sehr langer Radiowellen im Lichte der Geophysik - Vorlesung Krieg im Aether 1974/1975 (ETH Zürich) HAMFU History 2-14 Die Punkt-Strich-Linie stellt einen Mittelwert dar: jeder Punkt der gebrochenen Linie entspricht einem Punktehaufen auf der Photoaufnahme. Nach eingehender Studie dieses Problems und nach sukzessiver Ausschliessung der möglichen Gründe dieser Schwankungen (Veränderung der Ausbreitungsbedingungen, Auswirkungen der höheren Modeintervention, Effekte der Empfangsausrüstung, usw.), deutete man diese Schwankung als eine Verlagerung der Maximalaktivität innerhalb der Gewitterzone. Wenn man die Schwankungen des GDD und des Einfallswinkels als eine Verlagerung der Zentraltätigkeit innerhalb einer Gewitterzone auslegt, so kann eine Karte konstruiert werden, die darauf hindeutet, dass die Tätigkeit innerhalb der Zone von einem komplizierten dynamischen Prozess abhängig ist (Fig.13). Fig.13 Die aus den Schwankungen der GDD und des Azimuts abgeleiteten Verlagerungen von Fig.12 (Harth, 1972; Fig.12). Ich hoffe, dass dieser kurze Ueberblick das Interesse für dieses Forschungsgebiet wecken konnte und seine Bedeutsamkeit sowohl für die Nachrichtentechnik wie auch für die Anwendung zum Studium der höheren Atmosphäre und des Erdinnern hervorgehoben wurde. © HAMFU - www.hamfu.ch Seite 14 Ausbreitung sehr langer Radiowellen im Lichte der Geophysik - Vorlesung Krieg im Aether 1974/1975 (ETH Zürich) HAMFU History 2-15 R E F E R E N Z E N Albrecht H.J. 1967 Unterirdische Wellenausbreitung - Fortschritte in den letzten drei Jahren; Kleinheubacher Berichte^ Bd.12, Seite 179-193, herausgegeben vom Fernmeldetechnischen Zentralamt Darmstadt Albrecht H.J. und D. Kaczmarczyk 1967 Neue Untersuchungen über Bodeneffekte bei Wellenausbreitung; Kleinheubacher Berichte, Bd.12, Seite 195-203, herausgegeben vom Fernmeldetechnischen Zentralamt Darmstadt Bernstein S.L. et al. 1974 Long-range communications at Extremely Low Frequencies Proc. IEEE, Vol. 62, No.3, Seite 292-312 Siehe auch "IEEE Transactions on Communications, April 1974" Blair B.E.; 1967 E.L. Crow und A.H. Horgan Five years of VLF worldwide comparison of atomic standards; Radio Science, Vol. 2 (New Serie), No.6, Seite 627-636 1968 Some aspects of the VLF Omega system as appropriate to the arctic environment; In "Ionospheric Radio Communications", edited by Kristen Fol kestad; PI enum Press, New York, Seite 91-107 Chilton C.J.; 1964 A.H. Diede und S.M. Radicella Transequatorial reception of a VLF transmission; J. of Geophysical Research, Vol. 69, No.7, April 1, Seite 1319-1328 Burgess B. Crombie D.D. 1964 a Periodic fading of VLF signals received over long paths during sunrise and sunset; Radio Science, J. of Res. NBS/USNC- URS I, Vol. 68D, No. 1, Seite 27-34 Crombie D.D. 1964 b Phase and time variations in VLF Propagation over long distances; Radio Science, J. of Res. NBS/ USNC-URSI, Vol. 68D, No. 11, Seite 1223-1224 Crombie D.D. 1966 Further observations of sunrise and sunset fading of Very-Low-Frequency signals; Radio Science (New Series), No. 1, Seite 47-51 Doherty R.H.; 1961 G. Hefley und R.F. Linfield Timing potentials of Loran-C; Proc. IRE, Vol. 49, No.11 ~ Seite 1659-1673 Harth W. 1972 VLF-Atmospherics: Ihre Messung und ihre Interpretation; Zeitschrift für Geophysik, Bd.38, Seite 815-849 Heydt G. 1972 Bemerkungen zur Vergleichbarkeit von VLF-Atmosphericszählungen bei Breit- und Schmalbandbetrieb; Meteorologische Rundschau, Heft 1, Seite 20-23 Horner F. 1970 The use of atmospherics for studying the ionosphere; J. atmos. terr. Phys. Vol. 32, Seite 609-621 Jean A.G. und J.H. Crary 1962 VLF phase observations on the ionospheric effects of the solare flare of Sept. 28, 1961; J. of Geophysical Research, Vol.67, No. 12, Nov. 1962, Seite 4903-4905 Lerner R.M. und J. Max 1965 VLF und LF fields propagatine! near and into a rough sea; Radio Science, J. of Res. NBS/USNC-URSI, Vol. 69D, No. 2, Seite 273-286 Luken K.^ 1970 J.W. Brodgen und W.D.Meyers © HAMFU - www.hamfu.ch Accuracy studies of the differential Omega Technique; Naval Research Laboratory (NRL) Report 7102, June 29, 35 Seiten Seite 15 Ausbreitung sehr langer Radiowellen im Lichte der Geophysik - Vorlesung Krieg im Aether 1974/1975 (ETH Zürich) HAMFU History 2-16 Morgan A.H.; E.L.Crow und B.E. Blair 1965 International comparison of atomic frequency standards via VLF radio signals; Radio Science, J. of Res. NBS/USNC-URSI, Vol. 69D, No. 7, Seite 905-914 Oelbermann E.J. 1970 Solar particle effects on Polar Cap VLF Propagation; J. of the Franklin Institute, Vol. 290, No.3, September, Seite 281-296 Rieker J. 1963 Sunset and sunrise in the ionosphere: Effects on the propagation of long waves; J. of Res. of the NBS, D. Radio Propagation, Vol. 67D, Seite 119-138 Rieker J. 1974 Long term variation of VLF signals over transauroral paths; J. of atmos. terr. Phys., Vol.36, Seite 787-800 Shapiro L.D. und D.O.Fisher 1970 Wait J.R. 1959 Using Loran-C transmissions for long base line synchronisation; Radio Science, Vol. 5, No.10, Seite 1233-1238 Diurnal change of ionospheric heights deduced from phase velocity measurements at VLF; Proc. IRE; Vol. 47; No. 5; Seite 998 A l l g e m e i n e L i t e r a t u r Bremmer H. 1958 Propagation of electromagnetic waves; Handbuch der Physik, herausgegeben von S. Flügge, Bd. XVI, Seite 423-639 Budden K.G. 1961 The wave-guide mode theory of wave propagation; Logos Press in association with Elek Books Limited Rishbeth H. und Garriot C.K. 1969 Introduction to Ionospheric Physics; International Geophysics Serie,Vol.14 Uman A. 1969 Lightning; Advanced Physics, Monograph Series, McGraw-Hill Book Company Vol land H. 1968 Die Ausbreitung langer Wellen; Sammlung Vieweg, Braunschweig Wait J.R. 1962 Electromagnetic waves in stratified media; Pergamon Press, Oxford © HAMFU - www.hamfu.ch Seite 16
