大溪天文台HRO SIDs實驗觀測站 工作日誌
2022年04月4日 - 4月5日 大溪天文台接收 Western Australia NWC VLF 日週期變化和D層電離電波傳導的吸收機制(The absorption mechanism of VLF radio wave diurnal variation and D-layer ionization wave propagation)2022年04月04日 早上10h50m 觀測到 04月5日 午夜00h37m 圖1
2022年04月05日 午夜00h42m 觀測到 04月5日 早上08h58m 圖2觀測頻率: 19.8kHz 調幅模式 (Amplitude Modulation AM mode )
發射電台: Western Australia NWC VLF
發射功率: 1.8MW
發射和接收地點距離:約5260公里
電波傳導方式:白天靠地波 夜晚靠天波(E或F電離層)和地波
老貓曰:由4月4日和5日早上觀測的VLF電波強度曲線變化.可以初步觀測出超低頻電波的電波傳導變化.白天因為D層電離的吸收,只能靠地波傳導.但到了夜晚,VLF電波穿過D層電離高度,到達更高的高度E層或F層電離反射至地面接收站.
由第一圖可見到,4日白天電波強度較低,但較為穩定! 到了晚上8點04分後,D層消失後,電波傳導強度變強.整個晚上大致維持較高電平水準的電波傳導.
到了5日早上7點44分後,白天的D層電離產生,且達到吸收VLF的臨界電離濃度.所以VLF的電波傳導電平瞬間下降.整個白天期間, 電波強度大致穩定維持相同電平水準。
* 4日下午4點38分 (08h38m UT),太陽爆發C2.0級的X光閃焰等級. 此時VLF電波曲線突然發生短暫的瞬間下降.期間維持約10分鐘.因為白天的VLF傳導非常穩定.較少會因大氣層電離的變化產生電波強度變化! 所以老貓疑似VLF電波傳導受到太陽閃焰的影響. 4日下午4點38分點觀測到曲線瞬間下降到最低點.經過約10分鐘後才恢復正常.老貓認為下午近5點的D層電離的濃度原本電子濃度已經逐漸減少中(尚未達到電離吸收消失的臨界濃度).但因太陽爆發,D層電離瞬間達到飽和(尚未達到VLF反射的臨界電子濃度飽和狀態),此時已經達到完全吸收所需電離濃度.導致較為敏感的VLF傳導瞬間降到最低位置.短暫維持約10分鍾後,D層電離因太陽閃焰消失不再提供自由電子,所以逐漸降低了D層電離層自由電子電離濃度,也逐漸恢復原本低吸收的狀態(D層電離尚未消失)。
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老貓物語:
在相對低高度的 D 層電離,為什麼較低的VLF頻率容易被吸收呢?較低VLF頻率的信號具有較長的波長,這為電波傳導作用於自由電子並加速,需要更長的時間。因此,較低頻率的電波傳導會導致移動更大的距離!並導致電離重新結合或自由電子碰撞時,若這加速電子保持自由移動,它將重新增強輻射射頻(類同天線二次發射)以電波傳播方向增強原始射頻信號*。不過在加速的過程中,如果加速的電子在碰撞中遇到另一個帶負電電子,當然也有可能遇到一個帶正電的離子! 被吸收變成合併中性電荷氣體原子!這樣電波傳導的輻射射頻就會消失。這種碰撞或複合成帶中性原子的過程中,自由電子動能能量就轉成熱能,浪費掉了。
*換句話說,當無線電波穿過電離層時,它會導致電離層中的電離電子(帶負電的自由電子)被碰撞導致移位或移動較遠的距離!這個移動距離與波長的大小有關係。電波傳導的垂直交變電場會反覆碰撞這些自由電子,所以當電波的電場或磁場波形經過自由電子時,就會在波長傳導方向(路徑)上將自由電子加速!在這個電波經過電離層過程中,這些傳導能量暫時從射頻電波能量轉移到電子的加速移動.也同時加強輻射射頻的強度 !
老貓要強調的是,若是這些調幅電波在傳導期間,對於較低頻率的VLF信號(較長的波長)將會比較高頻率的信號位移電子需要更遠的距離(波長的等效面積增加)。
這些更長的行進距離極大地增加了在傳導自由電子加速時遇到另一個電離粒子的可能性。因此,低頻VLF信號在碰撞電子和重組回到原子狀態時會損失很多能量 (recombine a neutrally charged atom is again constituted.),同時傳導電子移動期間必須通過高氣體密度的 D 層電離粒子群行進較遠的距離,所以這些自由電子存活的幾率就會降低! 但是較高頻率的中頻(Medium Frequency, MF 頻率範圍是300~3000 kHz)或高頻HF 信號的傳導電子移動因波長短,所以只需要更短的距離,碰撞粒子熱損的能量損失幾率也相應降低,因此較高頻率的信號被吸收的情況較長波長的VLF低很多。
*.最後4圖:由電波頻率的波長可傳導自由電子加速作用,但較長的波長因距離較長,電子傳導的路徑面積較大,加大的波長面積在碰撞其它氣體電子加速的能損或遇到了帶正電的離子被吸收恢復成中性原子狀態(如氣體氧O2)的機率則比短波長的HF電波大的多。
*.最後3圖: 在D層電離層中,氧O2氣體的原子密度非常大(大於E和F電離層的氣體密度).所以D層電離的電波傳導時間,碰撞到氧原子的外圍電子 .當電離層的能量增加(太陽閃焰爆發).氧原子外圍的電子與原子造成分離.此時電離化(Ionization 產生帶正電的離子和帶負電自由電子)時,高能太陽射線照耀或者閃焰爆發(例如紫外線*和高能的X光)都會在大氣中產生電離。但當太陽下山或閃焰不再時,這個分離的自由電子會再回到原軌道能階,被氧原子所吸收.再次恢復為中性電荷的氧原子(Recombination).
*.我們觀測太陽表面, 在太陽光球表面上的太陽黑子區域越多, 紫外線就會越強. 所以到達地球的紫外線就越強! 這些紫外線穿過大氣層就會提供電離層更多的離子(自由電子). 換句話說,太陽黑子的周期約11年.所以若是在太陽黑子極大期間做電波傳導就會得到更多的電離層反射的機會. 這段時間(3-4月) 的太陽閃焰進入活躍期. 所以白天的D層電離吸收特性較為明顯,白天的VLF電波傳導電位較為低下.
*.最後2圖:we present diurnal variations of VLF signal amplitude of VTX (top) and NWC (bottom) on 31 January 2008. In spite of the very long path, the VTX signal shows very stable diurnal amplitude variation. The duration of the sunrise and sunset fadings are comparatively long (∼5 h) with shallower dips due to the terminators. The NWC signal does not show any regular variation, and the signal attenuation is larger than VTX even though the transmitting power of NWC (1 MW) is double of that of VTX (500 kW). The dashed vertical lines indicate the time of the local noon.
VTX (18.2 kHz) and NWC (19.8 kHz) transmitters
這是南極觀測站Maitri接收印度VTX和澳洲NWC的電波信號.兩者在日周(白天和晚上)的電波電平曲線變化.南極觀測站在夏季觀測這項實驗,南極無夜晚的D電離層可以24小時觀測.因為印度和澳洲兩發射站的仰角不相同.導致印度VTX發射電波較為穩定且明顯.但澳洲NWC則變化不大.
最後一圖:Observation 南極接收站和兩個電波VLF發射站的地理緯度說明:
In Figure 1, we show the location of the transmitters VTX and NWC (geographic latitude 21° urn:x-wiley:jgra:media:jgra52121:jgra52121-math-0010S longitude 114° urn:x-wiley:jgra:media:jgra52121:jgra52121-math-0011E) and the receiver at Maitri and the wave paths between them. The great circle distance between VTX-Maitri and NWC-Maitri is ∼10,040 km and ∼8200 km, respectively. In Figure 2, we show the terminators to highlight the nature of solar illuminations for the entire path at two specific times. Figure 2 (top) is drawn at 00:00:00 UT, where the entire path is dark except the Maitri station and its vicinity. Figure 2 (bottom) is drawn at 12:00:00 UT, where the entire path is solar illuminated. In a previous work, the main emphasis was given on these two conditions as the spatial amplitude variations at these two times were compared.
參考文獻:
Modeling of long-path propagation characteristics of VLF radio waves as observed from Indian Antarctic station Maitri
Sudipta Sasmal,Sourav Palit,Sandip K. Chakrabarti
https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/2015JA021400D Region Absorption Predictions (D-RAP) | NOAA / NWS Space Weather Prediction …
http:www.swpc.noaa.gov/products/d-region-absorption-predictions-d-rap
Trans-ionospheric VLF wave power absorption of terrestrial VLF signal
August 2017Chinese Journal of Geophysics- Chinese Edition
DOI:10.6038/cjg20170809
Project: The ionospheric disturbances induced by VLF/HF radio waves
曹大貓咪 2022 0405 台北市