Astronomiczny Obiekt Miesiąca: Listopad 2024

< poprzedni Archiwum

Nowa efektywna metoda do analizy fal elektromagnetycznych ekstremalnie niskich częstości

Fale elektromagnetyczne ekstremalnie niskich częstości (ELF; tutaj od 0,03 do 1000 Hz) propagujące się w sferycznej wnęce rezonansowej między powierzchnią Ziemi a jonosferą dają efektywną możliwość testowania stanu jonosfery i jej niejednorodności, oraz wpływu na nią aktywności słonecznej w zakresie UV i promieniowania X, wpływu rozbłysków słonecznych oraz pogody kosmicznej, w końcu pozwalają badać takie zjawiska ziemskie, jak zmiany klimatu. Są one istotne także dla eliminacji możliwych zakłóceń elektromagnetycznych w sieci detektorów fal grawitacyjnych LIGO-VIRGO-KAGRA. Nasze nowe pomiary w Bieszczadach stacją ELA11 dają nadzieję na dokonanie jakościowego postępu w takich badaniach. Tutaj przedstawiamy pierwszą z serii prac przygotowanych w ostatnim roku w oparciu o dane z tej stacji.

Wyładowania elektryczne towarzyszące burzom generują silne impulsy elektromagnetyczne w zakresie fal ELF, mogących propagować się kilkukrotnie wokół Ziemi w sferycznej wnęce rezonansowej, utworzonej między powierzchnią Ziemi a jonosferą. Interferujące ze sobą fale tworzą maksima w widmie emisji, tzw. rezonanse Schumanna przy częstotliwościach 8 Hz, 14 Hz, 20 Hz, itd. (patrz Ilustracja 1; tu i na pozostałych przedstawionych ilustracjach pokazujemy całodobowe dane zarejestrowane 15 styczna 2022, w dniu wybuchu wulkanu Hunga Tonga). Dzięki globalnemu zasięgowi (słabemu tłumieniu) fal ELF pojedyncza stacja pomiarowa może w tym zakresie częstości monitorować aktywność burzową na całej Ziemi, rozdzielając różne obszary burzowe na podstawie azymutów zarejestrowanych fal. Takie pomiary były zazwyczaj wykonywane w bardzo ograniczonym zakresie poprzez analizę pojedynczych impulsów od najsilniejszych wyładowań burzowych. W przedstawianej tu pracy zaproponowaliśmy nową metodę, która wykorzystuje sygnały magnetyczne ELF w pełnym dostępnym zakresie amplitud fal. Pokazujemy, jak można odfiltrować z danych pomiarowych zakłócenia o częstotliwości 50 Hz od sieci elektrycznej, tak aby do określania azymutu fali można było stosować także impulsy o stosunkowo niskich amplitudach. Metoda ta została zastosowana do pomiarów o częstotliwości 3 kHz z naszej stacji Hylaty w Polsce i pozwoliła na ciągłe monitorowanie aktywności burzowej w głównych aktywnych rejonach burzowych na Ziemi. Należy przy tym podkreślić, że realizowane przez nas pomiary jedynie dwóch składowych magnetycznych fali pozwalają na określenie tylko kierunku propagacji, ale nie zwrotu. Zatem wyznaczane azymuty impulsów mają nieokreśloność ±180 stopni, jak zobrazowano na ilustracji 2, gdzie widać (częściową) symetrię między azymutami odległymi od siebie o 180 stopni.

Podejście zaproponowane w pracy oparte jest o wyznaczanie azymutu dochodzącej fali z różnicowych pomiarów pól magnetycznych ∆B_NS i ∆B_EW z kolejnych pomiarów pola magnetycznego fali, możliwie w skalach krótszych niż czas trwania pojedynczych impulsów. Wcześniej znacznie bardziej złożone modelowanie takich impulsów było podstawą do wyznaczania azymutów, co oznaczało nie tylko znaczny nakład pracy, ale i nie pozwalało na wykorzystanie znacznej części czasu pomiarowego bez silnych impulsów. Zaproponowana tu metoda różnicowa, z wybranymi parametrami analizy (n, r_min, r_max), umożliwia określenie azymutu fali docierającej do sensora w danym momencie, przy czym parametr n określa odstęp czasu między rozpatrywanymi pomiarami, a r_min i r_max określają minimalną i maksymalną amplitudę √(∆B_EW² + ∆B_NS²) dla rozpatrywanych zmian pola. Przy n=1, azymuty odpowiadają w detektorze ELA11 przedziałom czasowym wynoszącym 0,33 ms. Mierzony impuls z pojedynczego wyładowania może trwać kilka milisekund, a przy globalnej częstotliwości wyładowań ocenianej na 50-100 na sekundę, nakładanie się różnych impulsów w pomiarach jest ograniczone, co pozwala oczekiwać możliwości mierzenia wiarygodnych azymutów z różnych burz. Metoda okazuje się bardzo skuteczna, umożliwiając separację i śledzenie w czasie azymutów sygnałów z wielu burz w każdej sekundzie sygnału (patrz Ilustracje 2, 3 i 4), także do częściowego separowania impulsów bliskich i dalekich, a wszystko dzięki wysokiej dynamice zastosowanego sensora magnetycznego oraz szerokiemu zakresowi amplitud impulsów ELF analizowanych w ramach jednej procedury. W sumie otwiera to nowe możliwości badawcze zarówno zjawisk burzowych jak i zmienności jonosfery.

W trakcie erupcji wulkanu także występują wyładowania elektryczne, podobne do wyładowań burzowych (patrz Ilustracja 1). Szczególnie aktywny w takie wyładowania był wybuch wulkanu Hunga Tonga w styczniu 2022. Silny punktowy sygnał ELF z erupcji tego wulkanu umożliwił nam zmierzenie odchylenia azymutu sygnału podczas propagacji z Pacyfiku do Polski w rejonie polarnym, z propagacją częściowo blisko terminatora słonecznego, oraz zademonstrowanie, w jaki sposób nasza metoda pozwala na oddzielną analizę podlegających znaczącej refrakcji jonosferycznej sygnałów z Hunga Tonga, docierających do naszej stacji pomiarowej z odległości pond 16 mln m, od pobliskich sygnałów burzowych o tym samym azymucie (porównaj Ilustracje 2, 3 i 4).





Oryginalna publikacja: Kubisz, J., Gołkowski, M., Mlynarczyk, J., Ostrowski, M., Michalec, A., New Method for Determining Azimuths of ELF Signals Associated With the Global Thunderstorm Activity and the Hunga Tonga Volcano Eruption, Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 129, article id. e2023JD040318 (2024).

Omawiana tu praca została zrealizowana przez międzynarodowy zespół badaczy z UJ, AGH i University of Denver Colorado pod kierunkiem Jerzego Kubisza z Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie.


Kontakt:

Jerzy Kubisz Obserwatorium Astronomiczne Uniwersytetu Jagiellońskiego Jerzy.Kubisz [@] uj.edu.pl

Michał Ostrowski Astronomical Observatory Jagiellonian University Michal.Ostrowski [@] uj.edu.pl