Сверхдлинные волны - теоретические сведения

Одним из интересных способов изучения окружающей электромагнитной обстановки является прием и анализ сигналов на сверхдлинных волнах (СДВ) (ранее применялся термин "ультрадлинные волны" (УДВ)).

Часто, например, при изучении магнитосферы Земли, используется такое разграничение диапазонов:
VLF (very low frequency, 3...30 кГц), ELF (extremely low frequency, 300...3000 Гц) и ULF (ultra low frequency, 30...300 Гц).

ITU (International Telecommunications Union) определяет эти диапазоны так:

В отечественных источниках принято к сверхдлинными волнам относить волны длиной $\lambda > 10 000 \, м$ (частота $f < 30 \, кГц$).

На прохождение сверхдлинных радиоволн оказывают влияние процессы в земной ионосфере.

Ночное прохождение

Ночью сверхдлинные волны отражаются от лежащего на высоте 90...120 км "E"-слоя (этот слой отражает частоты менее 10 МГц), что делает возможным дальнее (космическое) распространение пространственных сверхдлинных волн (ионосферная волна - sky wave). Сверхдлинные волны распространяются в "сферическом волноводе" (англ. Earth–ionosphere waveguide) (одна стенка которого - поверхность Земли, а вторая - нижняя граница ионосферы), многократно отражаясь от его стенок (это происходит из-за того, что расстояния между проводящими поверхностями соизмеримы с длиной волны).

Оптимальными для распространения в таком волноводе являются волны частотой 8 - 12 кГц (длина волны 25-35 км). Всякий волновод характеризуется критической частотой (частотой среза), которая для прямоугольного волновода определяется выражением:
$f_c = {c \over {2 h}}$, где $h$ - высота волновода, $c$ - скорость света. Волны с частотой 3 кГц (длина волны 100 км) и ниже являются для волновода "Земля-ионосфера" критическими и практически не распространяются в нем. Резонансная частота для волновода "Земля-ионосфера" составляет около 7 Гц.

Дневное прохождение

Днем в ионосфере на высоте 50...90 км образуется "D"-слой, который поглощает сверхдлинные волны на их пути к "E"-слою (в некоторых источниках утверждается, что отражение тоже происходит, хотя и в несколько меньшей степени, чем от  "E"-слоя ночью). Таким образом, днем хорошо распространяются только земные (поверхностные) сверхдлинные волны (ground wave) - распространяются вдоль земной поверхности, а пространственные волны заметно ослабляются. Ионизация в "D" - слое возникает из-за солнечной радиации, поэтому с наступлением ночи ионы рекомбинируют и "D"- слой исчезает.

Внезапные ионосферные возмущения

На эти процессы также оказывают влияние внезапные ионосферные возмущения (ВИВ) (англ. SID (Sudden Ionospheric Disturbance)) - аномально высокая ионизация (плотность плазмы) в "D"-слое ионосферы, возникающая из-за ультрафиолетовой и рентгеновской радиации при вспышках на Солнце . Эти явления получили название эффекта Mögel–Dellinger (MDE). Этот эффект был описан немецким физиком Гансом Мёгелем (Hans Mögel) в 1930 году и исследован американским инженером Джоном Говардом Деллингером (John Howard Dellinger) в 1935 году.

Во время таких возмущений, длящихся минуты или часы, возрастает коэффициент отражения "D"-слоя для сверхдлинных волн, что делает возможным ионосферное прохождение этих волн днем. После окончания этого возмущения электроны в "D"-слое рекомбинируют и прохождение прекращается.

Таким образом, мониторинг прохождения VLF-волн от удаленного передатчика позволяет регистрировать такие события:

(зарегистрированные исследователем Rob Stammes возмущения ионосферы от вспышек на Солнце C- и M-класса при мониторинге прохождения радиоволн частотой 60 кГц)

Мониторингу ВИВ посвящена программа AAVSO SID Program.

Наиболее существенным природным источником электромагнитных волн (англ. natural radio) в этих диапазонах являются разряды молний - протекающий ток молнии образует гигантскую электрическую антенну. Форма электромагнитного возмущения от молнии имеет такой характер:

Спектральная характеристика такого разряда приведена на рисунке:

Как видно из этого рисунка, основной разряд молнии генерирует радиосигналы, лежащие в диапазоне сверхдлинных волн. Эти сигналы распространяются во все стороны отместа разряда в естественном сферическом волноводе. При этом часть частотного спектра удаляется, так как электромагнитные волны этих частот испытывают сильное затухание. На расстоянии сотен и тысяч километров от места разряда электромагнитные возмущения от молнии проявляются в виде "атмосфериков" (сферики (англ. radio atmospherics, sferics)), чья форма сильно отличается от исходного разряда (колебательный характер и растягивание периода колебаний со временем из-за дисперсии):

Частотная дисперсия обусловлена уменьшением групповой скорости распространения волн при приближении их частоты к частоте отсечки волновода.  Основная энергия приходится на область частот 5-10 кГц, а длительность сигнала - до нескольких миллисекунд.

При наложении нескольких атмосфериков, пришедших в точку наблюдения разными путями, регистрируются твики (твик-атмосферики, англ. tweeks). Твики наблюдаются в ночное время, отличаются увеличенной длительностью (10-150 мс).

Особняком стоит распространение электромагнитных сигналов от молний вдоль линий магнитного поля Земли:

Часть электромагнитного излучения молнии просачивается через ионосферу в магнитосферу и далее распространяется по подковообразной траектории, связанной с магнитным полем. В этом случае в магнитосопряженной точке, находящейся на другом конце магнитной силовой линии, регистрируются свистящие атмосферики (свисты, англ. whistlers) - низкочастотные сигналы с постепенно понижащующейся из-за дисперсии частотой. Примерами таким сопряженных точек являются Согра (Архангельская область России) и Кергелен (остров в Индийском океане, принадлежащий Франции), в которых с 1964 года проводятся совместные исследования магнитосферы. Первым руководителем этих исследований с советской стороны была Валерия Алексеевна Троицкая:

В 1965 году была составлена  карта магнитосопряженных точек:
(автор - японский ученый Hakura Y.)
(щелкните по карте левой кнопкой мышки для просмотра в увеличенном размере)
:

В 1953 году анализ свойств свистящих атмосфериков позволил сделать первую правильную оценку электронной концентрации на больших высотах.
На Камчатке на станциях ИКИР ДВО РАН проводятся работы по регистрированию свистящих атмосфериков при помощи ОНЧ-пеленгатора.

На спектрограммах сферики проявляются как вертикальные линии (1), твики как вертикальные линии, переходящие в кривые на уровне около 2 кГц, (2) и свистящие атмосферики как  саблеобразные кривые (3):

Изменение частоты свиста в области частот 1-6 кГц хорошо соответствует формуле $f = D^2 t^{-2}$, где $D$ - дисперсия (10...100 с^1/2).

Во время грозы эксплуатировать приемник сверхдлинных волн опасно!

Одни из первых случаев детектирования таких импульсов посредством помех в линиях связи произошли во время первой мировой войны.

В 1950-70-х годах исследованиями сверхдлинных волн в СССР занимался Вадим Евмениевич Кашпровский:

статья "О "забытом" диапазоне радиоволн", "Радио", 1957, №7;
книга "Определение местоположения гроз радиотехническими методами", 1966, 248 с.

С 2013 года в Европе частоты в диапазоне 8300-9000 Гц выделены для изучения грозовой активности.

С описанием некоторых сверхмощных радиопередатчиков в диапазоне сверхдлинных волн Вы можете ознакомиться здесь.

С описанием конструкции приемника сверхдлинных волн и результатов моих экспериментов в этой области Вы можете ознакомиться здесь.