Badania globalnej aktywności elektrycznej atmosfery w oparciu o międzykontynentalne obserwacje pól ekstremalnie niskiej częstotliwości z wykorzystaniem metod geolokacji impulsów pola pochodzących od silnych wyładowań oraz analizy rezonansu Schumanna...

Badania globalnej aktywności elektrycznej atmosfery w oparciu o międzykontynentalne obserwacje pól ekstremalnie niskiej częstotliwości z wykorzystaniem metod geolokacji impulsów pola pochodzących od silnych wyładowań oraz analizy rezonansu Schumanna...

  • Kierownik projektu: dr Andrzej Kułak, Uniwersytet Jagielloński
  • Tytuł projektu: Badania globalnej aktywności elektrycznej atmosfery w oparciu o międzykontynentalne obserwacje pól EM ELF z wykorzystaniem geolokacji impulsów pochodzących od silnych wyładowań oraz analizy rezonansu Schumanna we wnęce Ziemia-Jonosfera
  • Konkurs: HARMONIA 2, ogłoszony 15 grudnia 2011 r.
  • Panel: ST10
Na górskiej łące znajduje się dwóch mężczyzn. Pierwszy siedzi na trawie obok rozłożonego sprzętu badawczego. Drugi stoi niedaleko.

Celem projektu jest budowa międzykontynentalnego systemu obserwacji źródeł fal elektromagnetycznych w zakresie ELF (Extremely Low Frequency), opartego na metodzie pomiaru kierunków nadejścia fal (RDF - Radio Direction Finder) i analizy czasu opóźnień (TOA – Time Of Arrival). Spodziewana wysoka jakość nowego systemu pozwoli na dokonanie dalszego kroku w badaniach szeregu zagadnień dotyczących planetarnej aktywności elektrycznej atmosfery Ziemi.

Pomysł równoczesnego prowadzenia obserwacji fal elektromagnetycznych ELF w kilku punktach globu jest naturalną konsekwencją rozwoju badań w tym zakresie. Fale radiowe ELF należą do najdłuższych mogących się rozchodzić wzdłuż powierzchni Ziemi. Rozprzestrzeniają się w falowodzie (kanale do prowadzenia w przestrzeni fal radiowych) Ziemia – Jonosfera, który tworzą powierzchnia gruntu i dolne warstwy jonosfery ziemskiej (D i E). Tłumienie fal jest na tyle małe, że obiegają one Ziemię wielokrotnie. Falowód tworzy wnękę sferyczną Ziemia - Jonosfera o częstotliwościach rezonansowych określonych przez rozmiary planety. Najniższa z nich, wynosząca ok. 8 Hz, jest konsekwencją interferencji fal (ich wzmocnienia i wygaszenia w wyniku nakładania się - fal) o długości równej obwodowi Ziemi.

Własności rezonansowe wnęki sferycznej zostały po raz pierwszy opisane przez W. O. Schumanna (1952), a pierwsze obserwacje pól rezonansowych powiodły się w 1960 r. (M. Balser i C. A. Wagner z Lincolm Laboratory). Współczesne metody obserwacji rezonansu Schumanna pozwalają na ciągłą rejestracją wielu rodzajów drgań rezonansowych wnęki. Głównym źródłem pola elektromagnetycznego zasilającego wnękę są typowe wyładowania atmosferyczne chmura – grunt, których liczba na Ziemi sięga kilkudziesięciu w ciągu każdej sekundy. Oprócz nich istnieje szereg specyficznych rodzajów wyładowań, które są obecnie przedmiotem badań. Zaawansowana wiedza dotycząca elektrodynamiki wnęki sferycznej pozwala na precyzyjne odtwarzanie własności wyładowań w oparciu o pomiar wytwarzanych przez nie fal.

Intensywne badania pól naturalnych ELF na świecie rozpoczęły się około 20 lat temu. Od początku uczestniczy w nich Grupa Rezonansu Schumanna (GRS), działająca przy Obserwatorium Astronomicznym Uniwersytetu Jagiellońskiego. Zespół ten, współpracujący z Katedrą Elektroniki Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie, stworzył własne zaplecze aparaturowe i własne metody badawcze. Dzięki projektom badawczym finansowanym przez MNiSW w 2005 r. zbudowano Obserwatorium Pól Elektromagnetycznych ELF Hylaty w polskich Bieszczadach. Starannie wybrana lokalizacja obserwatorium w obszarze wolnym od zakłóceń cywilizacyjnych zapewnia wysokiej jakości ciągłe obserwacje naturalnego pola elektromagnetycznego Ziemi w zakresie 0.03 ¸ 60 Hz. Nowy system międzykontynentalny będzie składał się z trzech identycznych stacji odbiorczych pracujących w zakresie 0.03 ¸ 300 Hz, rozmieszczonych w odległościach ok. 10 000 km od siebie. Budowa systemu rozwiąże główny problem w prowadzeniu badań globalnych, jakim jest brak zunifikowanych szerokopasmowych stacji odbiorczych ELF. Dzięki dużej długości ramion system umożliwi lokalizację i pomiar momentów prądowych silnych wyładowań na całej powierzchni Ziemi. Aparatura odbiorcza i algorytmy analizy sygnałów zostały opracowane w zespole GRS. Jeden z zestawów aparaturowych zostanie umieszczony w Obserwatorium ELF Hylaty, dwa pozostałe, dzięki współpracy z prof. Earle Williamsem z Massachusetts Institute of Technology (MIT) w Baltimore oraz dr Fernandą T. Sao Sabbas z Aeronomy Division w Sao Jose dos Campos w Brazylii, w Ameryce Północnej i Południowej. Zakłada się, że obserwatoria amerykańskie, podobnie jak Hylaty, zostaną ulokowane w okolicach niezamieszkałych, wolnych od zakłóceń powodowanych przez sieci elektryczne. Korzystając z danych dostarczonych przez system, każda ze stron będzie prowadzić niezależnie interesujące ją badania. Zaplanowano również wspólne tematy badań. Między innymi w zespołach MIT i UJ będą prowadzone prace dotyczące mapowania globalnej aktywności burzowej w oparciu o analizę rezonansu Schumanna. Każda ze stron opracowała w tym celu własne algorytmy, których skuteczność będzie porównywana na tym samym materiale obserwacyjnym. We współpracy z zespołem z Sao Jose dos Campos prowadzone będą badania źródeł impulsów pola ELF.

W polskim zespole nacisk będzie skierowany na badania impulsów pola towarzyszących wyładowaniom, związanych z silnymi błyskami optycznymi TLE (Transient Luminous Events). Wyładowania te przebiegają w górnych warstwach atmosfery, pomiędzy szczytami komórek burzowych a jonosferą. Wyładowania dojonosferyczne są istotnym czynnikiem modyfikującym własności fizyczne dolnych warstw jonosfery oraz funkcjonowanie obwodu globalnego GEC (Global Electric Circuit).

Innym przedmiotem badań grupy będą wyładowania atmosferyczne wytwarzające błyski promieniowania gamma. Ich odkrycia dokonał w 1994 r. zespół analizujący dane z kosmicznego teleskopu Comptona, przeznaczonego do obserwacji źródeł kosmicznych. Już wówczas zauważono, że sporadycznie obserwowane ziemskie rozbłyski promieniowania gamma (TGF – Terrestrial Gamma Flesh) występują nad centrami burzowymi. Obecnie badania wyładowań związanych z TGF wkraczają w decydującą fazę, która pozwoli na uściślenie modeli wyładowań i ostateczne wyjaśnienie mechanizmu generacji fotonów gamma o energiach sięgających 50 MeV. Obserwacje impulsów pola ELF prowadzone w Bieszczadach wykazały, że możliwe jest badanie parametrów wyładowań związanych z TGF występujących w odległościach do 6000 km.


Obserwatorium Astronomiczne UJ - krakowska Grupa Rezonansu Schumanna (GRS)

Do ważniejszych osiągnięć grupy należy opracowanie własnych konstrukcji wysokiej klasy aparatury odbiorczej oraz szerokopasmowych anten aktywnych składowej magnetycznej i elektrycznej pola o bardzo niskim poziomie szumów własnych. W konstrukcjach tych zastosowano nowoczesne technologie mikromocowe, pozwalające na długotrwałą automatyczną pracę stacji obserwacyjnych zasilanych z baterii akumulatorów lub baterii słonecznych. W dziedzinie badań teoretycznych rozwinięto modelowanie propagacji fal we wnęce sferycznej Ziemia – Jonosfera, sformułowano własności propagacji rezonansowej fal we wnęce, będące konsekwencją niestacjonarności rozwiązań oraz opracowano metodę dekompozycji pola w rezonatorach, pozwalającą na oddzielanie pól fal stojących od pól fal biegnących bezpośrednio ze źródeł. W oparciu o metodę dekompozycji skonstruowano oryginalne metody rozwiązań odwrotnych pozwalające na lokalizację źródeł pola w rezonatorach. Opatentowano system obserwacji pola ELF oraz metodę konstruowania map aktywności burzowej na powierzchni Ziemi w czasie rzeczywistym. Opracowano nowy wskaźnik aktywności elektromagnetycznej Ziemi wyznaczany w czasie rzeczywistym, oparty na pomiarze składowej rezonansowej pola we wnęce. Opracowano oryginalną metodę odwrotną do odtwarzania momentu prądowego wyładowań elektrycznych w falowodzie Ziemia – Jonosfera na podstawie analizy przebiegu formy falowej impulsu pola ELF rejestrowanego w szerokim zakresie odległości od źródła. Opublikowano kilkanaście prac w najbardziej renomowanych czasopismach na świecie.