ULF эксперименты RN3AUS / ULF experiments by RN3AUS / 2016

В прошлом году я начал осваивать диапазон КНЧ (ELF), используя самодельный приемник: http://rn3aus.narod.ru/elf/index.html
Были зарегистрированы Шумановские резонансы, а также сигналы искусственного происхождения ("Зевс", силовая сеть 50 и 60 Гц).
Одновременно мое внимание привлекло наличие на скриншотах неизвестных сигналов, расположенных по частоте ниже первого шумановского резонанса.
Было решено посвятить нынешнее лето 2016 года изучению этих электромагнитных процессов герцового диапазона.

Аппаратура:

Был изготовлен ULF-приемник, содержащий два независимых идентичных приемных канала, выходы которых подавались на стереоразъем для подключения к звуковой карте компьютера.Наличие двух каналов оказалось очень полезным для наблюдений с использованием двух перпендикулярно расположенных "земляных" антенн (диполей). При этом обработка осуществлялась программой SpectrumLab DL4YHF в режиме RDF (radio direction finding) - на спектрограммах амплитуда сигналов отображается яркостью пикселов, а направление их прихода - цветом.

Схема приемника, расположение элементов на печатной плате, ничем не отличаются от описанного выше ELF-приемника, за исключением увеличенных в несколько раз емкостей входного фильтра. Это позволило заметно снизить помехи от силовой сети. При сборке и налаживании особое внимание было уделено подбору для каждого канала идентичных деталей, это особенно важно для полевых транзисторов. Мне повезло - у меня было два одинаковых транзистора из одной партии - их рабочие точки при всех прочих равных номиналах деталей оказались очень близкими, с точностью до нескольких сотых долей Вольт.

Плата сверху накрывается крышкой из фольгированного текстолита и припаивается к перегородкам (на снимке крышка не показана). Это необходимо для исключения наводок от проводов и электроприборов, находящихся от приемника в непосредственной близости.  Сигнал от антенн подается в помещение к приемнику по коаксиальным кабелям.
Входное сопротивление приемных каналов довольно большое - десятки МОм, что необходимо для нормального приема с электрической антенны: чем больше емкость антенны и больше входное сопротивление приемника (и меньше входная емкость), тем для более низких частот будет возможен прием. В моем случае завал АЧХ происходил на частотах ниже 0,5 Гц, что, возможно, определялось входной цепью звуковой карты. Звуковая карта использовалась встроенная в нетбук Asus EeePC и никак не дорабатывалась.
Питание приемника осуществляется от аккумулятора 10 А/ч 12 В, потребляемый ток 30-40 мА. Заряда аккумулятора хватает более чем на неделю непрерывной работы.

Антенны.

Использовалось два вида антенн:
- традиционная Г-образная электрическая антенна с высотой подвеса 8 м и длиной горизонтальной части около 20 м. При этом в работе участвовал только один канал приемника. Антенна принимает вертикальную составляющую электрического поля.

- два "земляных диполя" длиной по 10 м, расположенных в направлениях Север-Юг (N-S) и Запад-Восток (W-E); каждый из них подключался к своему приемному каналу. У обоих диполей была одна общая точка заземления - электрод (шампур длиной 50 см), воткнутый в землю непосредственно рядом с дачным домиком, в котором располагались приемник и компьютер. Соответственно, на этот же электрод через оплетку коаксиальных кабелей заземлялся и сам приемник. Иметь отдельный заземлитель нельзя - диаграмма диполей будет искажена.  Два других электрода аналогичного типа подключались к проводам "крокодильчиками" от автомобильного зарядного устройства.

Провода от электродов (одножильный медный провод в изоляции - телефонная кроссировка) прокладывались непосредственно по поверхности земли. Принимались меры, чтобы никто за них не зацепился и не споткнулся. Расстояние между электродами для каждого диполя сделано одинаковым (10 м - ширина моего участка), чтобы и сила сигналов, принимаемых с любого направления, была одинаковой.
Вероятно, нет смысла останавливаться подробно на принципе работы земляного диполя. Достаточно сказать, что на приемник поступает разность потенциалов двух разнесенных в пространстве электродов, возникающая при прохождении тока сигнала через слой земли. Иначе можно сказать, что ток в земле между электродами образует "виртуальную" петлевую антенну.
 Соответственно диаграмма направленности такой антенны в горизонтальной плоскости представляет собой восьмерку, ось максимумов диаграммы совпадает с направлением прямой, соединяющей электроды на концах антенны. То есть куда протянут антенный провод, оттуда и идет прием (вперед и назад). Антенна реагирует на горизонтальную составляющую электрического поля.

Эксперименты и их результаты.

Эксперименты начались 19 июня 2016 года. Чтобы убедиться, что приемник работает, первоначально использовалась Г-антенна. Хотелось увидеть резонансы Шумана и по качеству их приема оценить работу приемных каналов. Результат оказался положительным - шумановские резонансы были видны прекрасно, уровень помех невелик. Резонансы выделяются над шумом на 10 дБ. Интересно, что к утру в герцовой области появился некий сигнал.

Естественно, я тут же приступил к исследованию этой частотной области, запустив еще одну копию SpectrumLab, сконфигурированную для анализа диапазона от 0 до 3 Гц. Результат не заставил себя долго ждать - на скриншотах стали проявляться... (разумеется, сначала я лишь обнаружил эти подозрительные сигналы; понимание что это такое и как они называются пришло позже, после изучения различной научной литературы о геомагнитных возмущениях)

1. Геомагнитные пульсации

Итак, при приеме на Г-антенну были зарегистрированы геомагнитные пульсации типа Pc1 (иначе называемые "жемчужины") - это монохроматические колебания увеличивающейся частоты. На скриншоте они видны в виде коротких наклонных штрихов в окрестностях частоты 1 Гц..

Эти колебания возникают в магнитосфере Земли. Оказывается, на поверхность Земли из космического пространства падают электромагнитные волны ультранизкой частоты; для них ионосфера прозрачна. Лишь для частот выше примерно 5 Гц возникает резкая отсечка спектра колебаний - идущие сверху волны сильно поглощаются в ионосфере и на поверхности Земли не наблюдаются. (Для частот выше примерно 200 Гц и до единиц кГц вновь появляется своего рода окно прозрачности - на этих частотах регистрируются свистовые волны, или "свистящие атмосферики" - радиоизлучение от грозовых разрядов, захваченное магнитосферой и распространяющееся вдоль геомагнитной силовой линии с большой частотной дисперсией).
Гораздо реже наблюдаются колебания Pc1 с ниспадающей частотой, мне посчастливилось их зарегистрировать. На скриншоте можно увидеть наклоненную вниз "штриховку" в районе частоты 2,7 Гц

В районе частоты 1 Гц также в дневное время практически постоянно присутствуют узкополосные колебания. Пока я не могу сказать, какую природу они имеют.

Практика использования электрической антенны выявила следующие недостатки:
- большая уязвимость антенны от помех, возникающих вследствие метеорологических явлений. Ветер, раскачивающий антенну, наводит в ней ЭДС - антенна движется в магнитном поле - и на скриншотах возникает сильная засветка (это мы и наблюдаем в виде красных вертикальных полос на скриншоте). Еще хуже, если пойдет дождь - капли часто несут с собой заряд и в антенне наводится шумовая импульсная ЭДС . Кроме того, даже если капли не заряжены, но их диэлектрическая проницаемость сильно отличается от проницаемости воздуха (епсилон воды = 81, у воздуха он равен 1). Пролетающие мимо антенного полотна диэлектрические неоднородности (капли) также модулируют электрическое поле. Так что дождь, как правило, полностью блокирует возможность ULF-наблюдений. Послушайте, например, небольшую запись, соответствующую началу дождя: дождь


- второй недостаток, связанный с первым, - наличие помех от движения людей по участку, над которым натянута антенна, особенно, если люди проходят недалеко от вертикальной части антенны. Дачный участок, естественно, не пустует, приходится работать на огороде, дети бегают и играют - а над всем этим висит полотно антенны и каждое наше перемещение изменяет электрическое поле, наводимое в этом полотне. На спектрограмме появляется множественная шумовая засветка.

- третий недостаток я ощутил на себе 21 июня 2016 года. Примерно к 17 часов вечера на небе появилась плотная облачность, похожая на слоисто-дождевую, и пошел слабый дождь. В это время я решил подключить Г-антенну к другому приемнику для наблюдений в радиолюбительском диапазоне 137 кГц. Получилось так, что в одной руке я держал провод заземлителя, а другой рукой взялся за конец антенного провода, чтобы расправить его жилки. Я почувствовал, будто бы укололся об одну из жилок. Потом еще раз. Тут я заподозрил, что меня бьет током от антенны. Для проверки я несколько раз прикоснулся оголенным кончиком антенного провода к заземлителю - при каждом замыкании проскакивала искорка. Так продолжалось около двух минут, затем искрение прекратилось. Сначала я подумал, что электрический заряд на антенне возникает вследствие падения на полотно заряженных дождевых капель. Но, по-видимому, это не так - дождь был слабый и заряд не мог так быстро восстанавливаться, чтобы обеспечить искру при каждом замыкании на землю - я ведь соприкасал провода часто - может быть, раз в секунду. Вероятнее всего, в этот момент над нами проходило заряженное облако и напряженность естественного электрического поля многократно увеличилась. Интересно, что первый гром вдалеке мы услышали лишь минут через 20 после наблюдавшегося искрения. Затем пошел ливень и началась гроза. Итак, третий недостаток - опасность антенны в предгрозовое и грозовое время.

По этим причинам, а также с целью расширения области моих исследований, я решил использовать для наблюдений "земляные диполи", что сразу же позволило иметь дополнительную информацию о наблюдаемых явлениях - откуда они приходят. SpectrumLab был настроен для приема в режиме RDF. При использовании только двух перпендекулярных антенн имеется фазовая неопределенность в 180 градусов. То есть, например, сигнал с Севера будет иметь такой же цвет, как и сигнал с противоположного направления, с Юга. Это видно из диаграммы "цвет - направление":

Итак, вечером 21 июня 2016 я приступил к RDF наблюдениям на земляные антенны. Должен сказать, что получающиеся скриншоты очень информативны и красочны - видно, например, с какого направления приходит фон переменного тока. Кроме того, помехи от местных источников, несмотря на их интенсивность, дают засветку одного (красно-малинового) цвета, так как наводка имеет примерно равную интенсивность на обоих приемных каналах. Сигналы же от удаленных источников окрашиваются в другие цвета в зависимости от направления их прихода и продолжают быть видны даже на фоне помехи.

На скриншотах были замечены странные красочные последовательности сигналов, чаще всего состоящие из отрезков по 5-7 минут с паузами между ними около 3 минут. Общая длительность последовательности от получаса до часа. Каждый фрагмент, как правило, имеет тенденцию к увеличению частоты:

Изучение научной литературы подсказало, что я наблюдаю одну из  разновидностей нерегулярных геомагнитных пульсаций - колебания убывающего периода КУП (IPDP). Они возникают в моменты возмущения магнитосферы, когда в нее проникают облака протонов энергией в десятки килоэлектронвольт. Внутри магнитосферы эти заряженные частицы движутся под действием магнитного поля, совершая одновременно несколько сложных движений: вращение вокруг силовой линии с некоторой гирочастотой (единицы Герц), возвратно-поступательные колебания от одного конца магнитной силовой трубки к другому (единицы секунд) и дрейф в западном направление параллельно экватору (2-4 угловых градуса в минуту). При этом возникает циклотронное излучение цугов радиоволн, частота которых зависит от силы магнитного поля (чем дальше от Земли тем поле слабее) и лежит как раз в пределах единиц Герц.
Такие последовательности КУП я наблюдал несколько раз в сутки. Реже всего они возникают в конце ночи и утренние часы. Хотя от случая к случаю вид последовательности фрагментов меняется, но ее характер всегда одинаков - начало колебаний на некоторой частоте с ее плавным ростом и некоторым расширением спектра, затем срыв колебаний: вновь возникают колебания с более широким спектром и снова срываются через 5-7 минут, частота их плавно растет. В средних фрагментах последовательности спектр самый широкий и часто неоднородный, выделяются три спектральных ветви. Затем ширина спектра колебаний постепенно уменьшается, равно как и их интенсивность. В каждом фрагменте средняя частота имеет тенденцию роста.
По результатам изучения различных научных статей у меня не нашлось объяснения, почему наблюдается резкий срыв колебаний и паузы между ними, сигнал как бы разорван. Возможно, это происходит из-за того, что протоны инжектируются в область магнитосферы как бы порциями, облачками. И эти облачка постепенно спускаются на все более низкие слои магнитосферы (поэтому и растет частота) под действием крупномасштабного электрического поля, пока, наконец, не высыпаются в атмосферу. Но все же этот механизм не дает, на мой взгляд, вполне удовлетворительного объяснения наблюдаемой картине.
На приведенном ниже скриншоте заметно, что на спектр колебаний КУП как бы наложена некоторая спектральная резонансная структура, образуются минимумы и максимумы спектра, что и приводит к разделению спектра отдельных фрагментов на три ветви. Расстояние между спектральными минимумами составляет около 1 Гц, что дает частоту неизвестного резонатора порядка этой же величины. Не может ли таким образом проявлять себя либо Ионосферный Альфвеновский Резонатор (ИАР - о нем еще будет упомянуто ниже), либо же это так называемый баунс-резонанс (bounce) магнитной силовой трубки, связанный с временем движения протонов вдоль этой трубки между магнито-сопряженными точками? У меня, к сожалению, нет ответа на этот вопрос...

Вторая загадка - изменение "окраски", то есть направления прихода волновых пакетов. Как видим, это "кажущееся" направление плавно и непрерывно меняется на протяжение как всей последовательности КУП, так и каждого отдельного фрагмента. Смена цвета согласно диаграмме чаще направлена против часовой стрелки, но наблюдалось и обратное вращение, по часовой стрелке. Были даже случаи, когда изменение направления сначала шло в одну сторону и потом менялось на обратное.

На приведенном скриншоте направление меняется против часовой стрелки на целый оборот (желтый-красный-малиновый-сиреневый-синий-циановый-зеленый-желтый-...180 градусов и еще раз также) в течение часа.
Трудно предположить, что это соответствует реальному перемещению источника излучения вследствие западного дрейфа протонного облака. Хотя, несомненно, источник перемещается, но изменение направления прихода волн должно было бы быть иным и меньшим по величине.
Насколько мне удалось понять, колебания приходят к нам сверху, вдоль магнитной силовой линии, которая выходит из Земли довольно круто вверх. То есть наши скрещенные диполи лежат в плоскости почти перпендикулярной направлению распространения электромагнитной волны. Если эта волна имеет некоторую поляризацию, не обязательно линейную, а например эллиптическую, то и наводимый в наших антеннах сигнал будет неодинаковым, на одной антенне больше, на другой меньше; соответственно, на RDF-диаграмме сигнал приобретет тот или иной цвет. В таком случае, не объясняется ли наблюдаемый нами эффект  медленным вращением плоскости поляризации радиоволн КУП?
Ответа в литературе мне найти не удалось, есть лишь упоминание, что "альфвеновские волны (речь идет о распространении электромагнитных волн в замагниченной плазме) линейно поляризованы в перпендикулярной к магнитному полю плоскости, причем электрическое поле перпендикулярно проекции волнового вектора на эту плоскость", что несколько подтверждает нашу версию. Не происходит ли также вращение плоскости поляризации этих волн при прохождении через ионосферу (эффект Фарадея)?
Мне не известно, наблюдался ли этот эффект ранее и проявляется ли он на магнитометрах, которые обычно используются для наблюдений в профессиональных научных лабораториях.

Предлагаю послушать записи, содержащие в себе КУП - характерный рокот или вой - это и есть циклотронное излучение протонов в магнитосфере Земли:




Запись ускорена примерно в 50 раз, поэтому вместо инфразвука мы слышим привычные уху частоты. Вот так звучит мир ультранизких частот!

На приведенной выше спектрограмме помимо множества КУП видны отдельные импульсы, а также целые их ансамбли, сливающиеся в зеленоватую засветку - возможно, это так называемые PiB - импульсные магнитосферные возмущения, связанные с пересоединением силовых линий магнитного поля в области вытянутого хвоста магнитосферы. Каждый такой "обрыв"  силовой линии приводит к возникновению ударных волн, прокатывающихся по магнитосфере. Сплошные засветки - это, возможно, так называемые шипения hiss.
Обратите также внимание на вполне регулярные искусственные сигналы, похожие на сверхмедленный RTTY с частотами 8 и 10 Гц.

Эти сигналы наблюдаются чаще всего ночью. Их источник остался мне неизвестным.
Запись, соответствующая приведенному выше скриншоту с 12:00 до 13:45, ускорена в 100 раз; сигнал RTTY звучит ближе к концу, ему предшествует колебания КУП и импульсы помех.
На еще одном скриншоте RTTY виден очень отчетливо:

Гиромагнитные шипения hiss наблюдались несколько раз:

Как видно на скриншоте, красная засветка никак не связана с помехами от осветительной сети - помехи всегда как бы истекают из несущей 50 Гц. Красный цвет шипения свидетельствует о приходе цугов волн со случайной или круговой поляризацией, поэтому наводимый сигнал на оба канала был в среднем одинаковым.

Очень интересным было открытие на скриншотах иногда появляющейся спектральной резонансной структуры  SRS с субгерцовым шагом, по внешнему виду напоминающей шумановские резонансы:

Здесь же мы видим гиромагнитные шипения (красные) и иррегулярные импульсы PiB (светло-зеленые).
Возможно, спектральная резонансная структура соответствует колебаниям так называемого Ионосферного Альфвеновского Резонатора ИАР. Что это такое я смог пока понять только в общих чертах, поэтому мне трудно с уверенностью судить, верно ли мое предположение.

Как мы увидели, диапазон ультранизких частот ULF 1-10 Гц живет сложной и активной жизнью, немного понаблюдать за которой позволила совсем несложная и недорогая аппаратура и простейшая земляная антенна.

Были проанализированы причины, возможно вызвавшие появление такой магнитосферной активности. Не было ли в это время магнитосферных бурь? Ниже приведены данные для индекса Dst:


Как видим никаких существенных возмущений не было; отмечались лишь некоторые небольшие положительные и отрицательные "бухты", что, возможно, и явилось причиной зафиксированной магнитосферной активности.

Еще один интересный факт - на "земляную" антенну, по крайней мере короткую, 10 метров, не принимаются шумановские резонансы. Это объясняется, вероятно, вертикальной поляризацией электрического поля шумановских резонансов, земляная же антенна принимает горизонтальную поляризацию.

27 июня 2016 г в Московском регионе бушевала гроза необычайной интенсивности. Над местом установи моей аппаратуры эта гроза также прошла, сопровождаемая мощнейшим ливнем и очень частыми молниями, по моим наблюдениям не реже одной молнии в 7 секунд. При этом каждый молниевый разряд был многократным, ночь озарялась стробоскопическми вспышками. Интересно было посмотреть как эти молниевые разряды влияют на ULF-прием и земляную антенну. Оказалось, приемник реагирует только на вертикальные молнии "облако-земля". Горизонтальные внутриоблачные разряды не давали заметных импульсов. Цвет регистрируемого импульса довольно точно совпадал с направлением на ударившую молнию. Засветка от грозового импульса сплошная, по всем частотам:

По цвету молний на скриншоте видно, как грозовой очаг перемещался относительно точки наблюдения.

Какой-либо связи наблюдавшихся ультранизкочастотных колебаний КУП, PiB с грозовой активностью проследить не удалось. Эти колебания присутствовали и в грозовые и в совершенно тихие ясные дни.

Конечно, наблюдения различных магнитосферных явлений, их научная интерпретация сами по себе очень интересны. Однако я не являюсь специалистом в области физики магнитосферы, я лишь скромный радиолюбитель. По этой причине было решено провести ряд экспериментов по...
 
2. Передаче сигналов в ULF-диапазоне,
успешное начало которым было положено в прошлом 2015 году http://136.su/forum
Тогда использовались вертикальные электрические антенны для приема и передачи, что позволило передать часть моего позывного на расстояние первых десятков метров.
В этот раз мне захотелось продолжить эксперименты с земляными антеннами и попробовать поработать на передачу "через Землю", тем более, что это не запрещено регламентирующими документами.
Передатчик использовался тот же, что и в прошлом году - мультивибратор на частоту 12,3 Гц с двухтактным усилителем мощности и выходным резонансным колебательным контуром, образованным обмоткой сетевого трансформатора и конденсатором МБГО:

Схема его узлов заимствована из статьи "Предвестник цунами" об аппаратуре для инфразвуковых наблюдений, журнал "Моделист-конструктор" №12/2000:

Вместо динамической головки BA1 включена вторичная обмотка малогабаритного сетевого трансформатора, к первичной же его обмотке, как уже было сказано, подсоединен параллельно конденсатор 4 мкф х 200 В. Индуктивность обмотки трансформатора и конденсатор составляют параллельный колебательный контур с резонансной частотой 12 Гц (правда, добротность его невысока). Сигнал на выходные клеммы подается с "горячего" и "холодного" конца этого контура напрямую.
Передатчик питается от аккумулятора 12 В. При работе на земляную антенну, то есть на два электрода-заземлителя, разнесенных между собой на 15-20 метров, ток потребления составил 0,5 А, подводимая мощность 6 Вт. Измерение антенного тока дало около 50-80 мА (цифра, к сожалению, приблизительная - нечем было померить точнее) при напряжении между электродами 25 В, что дает ориентировочное значение выходной мощности передатчика порядка 1,5-2 Вт.

Было проведено 10 экспериментов. Передатчик с антенной выносился в различные места, отстоящие от точки приема (дачного домика) на расстояние от 200 до 700 метров в различных направлениях. Разнос передающих электродов обычно равнялся 20 метрам, приемных - 10 м (две перпендикулярные антенны). Передача велась в режиме QRSS с длительностью точки от 30 до 90 секунд.

Эксперимент 1: дистанция 360 метров, антенна передатчика ориентирована на пункт приема, передавалось U в QRSS-90. От точки приема точка передачи находится на Северо-Северо-Западе.

Эксперимент 2: то же место, передающая антенна направлена перпендикулярно направлению к точке приема, U, QRSS-90.
Грунт - сухой песок.

Между точкой передачи и приема располагается значительное понижение рельефа местности - это ложбина, соответствующая нижней точке карьера. Передача же должна была пересечь карьер от одного края до другого. Удалось зафиксировать следы сигналов, синие при первой передаче и малиновые при второй, что в первом случае соответствует азимуту, во втором ему примерно перпендикулярно.


Результат не очень убедительный.

Эксперименты 3 и 4: расстояние 200 м, передавалась А в QRSS-90. Первая передача - антенна передатчика направлена на приемник, вторая - перпендикулярна ему. Азимут на передатчик - Север. Между передатчиком и приемником поперек проходит ложбина глубиной около 5 метров. Грунт в точке передачи - суглинок с песком, более плотный, чем в передачах 1 и 2.

Полный успех! Сигнал четко виден. Первая передача синим цветом, что соответствует азимуту на передатчик, вторая передача - малиновый цвет, что не соответствует перпендикулярному направлению. отсюда можно сделать важный вывод:
- направленность земляного диполя действительно имеется;
- передача на антенну с несовпадающей ориентацией хотя и смещает кажущееся направление на диаграмме RDF, но не на 90 градусов, а значительно меньше, в пределах 30 градусов.

Эксперимент 5: расстояние 360 метров на север, у противоположного борта карьера. Грунт - песок и суглинок. Передача AUS в QRSS-30. По окончании текста - длинное нажатие. Антенна ориентирована на приемник.

Успех! Сигнал четко виден и превышает уровень помех на 10 дБ! Как всегда, в момент проведения эксперимента соседи начали работать электролобзиком, который (именно этот экземпляр) дает просто чудовищную засвету скриншота (малинового цвета). Вот здесь проявила себя сила приемной установки с двумя антеннами и RDF - селекция по направлению позволяет читать синий сигнал на фоне малиновой помехи большой мощности.

На скриншоте видна и вторая гармоника сигнала (увы, присущая моему несовершенному передатчику)
Послушайте запись сигнала, она ускорена в 50 раз. Четко слышно начало и конец передачи, середина поражена помехой:


Эксперимент 6: расстояние 600 метров, на юго-запад. Грунт - суглинок, передатчик и антенна размещена по "бровке" поля у лесного клина. Между приемником и передатчиком находятся овраг и ручей. Точка передачи возвышается над точкой приема в плане метров на 10. Передавалось AUS в QRSS-30. Антенна направлена на приемник.

Удалось зафиксировать слабые следы малинового цвета, однако сигнал читается! Цвет сигнала соответствует направлению. Успех!


Эксперимент 7: расстояние около 650 метров, юго-юго-запад, в лесу. Ошибся с направлением передающей антенны - она оказалась направлена градусов на 40 мимо приемника. Передавалось AUS QRSS-30. Следов на скриншоте зафиксировать не удалось. -

Эксперимент 8: расстояние 420 метров, на юг, в лесу, AUS QRSS-30. Сигнал успешно принят. Интересно, что во время эксперимента в поселке было отключена силовая сеть для ремонтных работ, что предполагало малый уровень помех. Результат оказался скорее противоположным - скриншоты поажены сеткой помех большей яркости, чем при наличии AC.

Как видно, сигнал 50 Гц сильно ослаблен и приходит откуда-то издалека. И видна вторая гармоника моего передатчика:

расстояние около 700 метров, на запад, в лесу на пригорке. Между приемником и передатчиком ложбина, холм, снова ложбина. К сожалению, опять запутался с ориентировкой и направил антенну намного севернее, чем нужно. Передавалось AUS QRSS-30 и по окончании длинная посылка. Зафиксированы слабые следы, результат неубедительный, хотя вроде что-то видно.


Эксперимент 10: чтобы определить предел возможностей аппаратуры при работе через землю, была увеличена длина приемной антенны до 18 м, а передающей до 24 м. SpectrumLab сконфигурирован для приема в режиме QRSS-60. Расстояние между приемником и передатчиком составило 800 метров, антенна направлена точно на приемник. Передавалось U в QRSS-120. Место эксперимента - поле за ручьем и лесом, грунт - пахотная глинистая земля. К сожалению, обнаружить хотя бы следы сигнала на скриншоте не удалось. -

Выводы:
- удалось уверенно передать значимую часть моего позывного сигнала на частоте 12,3 Гц через землю на расстояние 420 метров. На дальности 600 м приняты читаемые следы. На расстоянии 360 метров сигнал принимается на слух.
- одновременно можно констатировать, что на дальностях более 700 метров с данным сетапом связь невозможна. Может быть, увеличение мощности передатчика поможет отодвинуть эту границу на большее расстояние.

наш домик. Место удачное - мы находимся на 20-30 метров ниже уровня земли, тем глубже можно будет заглянуть в недра.
Суть метода вертикального электрического зондирования дипольной установкой достаточно проста (первое представление можно составить, изучив учебные материалы).

Осуществляется передача сигнала в землю (постоянного или переменного тока) с помощью двух электродов, установленных с некоторым разносом. Это передающая линия, она обычно обозначается AB. Ток Iab растекается по земной толще (не только по поверхности, но по всей полусфере). Сигнал измеряется приемной установкой с помощью аналогичных двух электродов (приемной линии, обозначаемой MN), при этом приемная и передающая линии отнесены друг от друга на некоторое расстояние. Затем расстояние между приемной и передающей линией увеличивают и измеряют новое значение напряжения Umn. Чем больше разнос между приемником и передатчиком, тем все более глубокие слои земли оказывают влияние на величину измеренного напряжения - ведь у глубинных слоев различное сопротивление и растекание тока в них идет не одинаково. Приблизительно считается, что максимальная глубина слоев, которые "чувствует" установка, равна половине разноса между приемной и передающей линией. Таким образом, увеличивая разнос, снимают ряд значений. Затем, зная ток, подводимый к передающей линии, и напряжения на приемной линии, вычисляют так называемое кажущееся сопротивление:

Rk = Kустановки * Umn / Iab
где Rk - кажущееся сопротивление
Umn - измеренное напряжение на приемной линии
Iab - ток передающей линии
Kустановки - коэффициент установки, для моего случая так называемой дипольной осевой установки (то есть когда разнос осуществляется по линии, параллельной оси антенн) он равен

Kустановки = 3.14 * C * L^3 / (AB * MN)
C - некоторая поправка недипольности, можно положить =1
L - разнос, расстояние между серединами приемной и передающей линий
AB - длина передающей линии, у меня = 18 м
MN - длина приемной линии, у меня = 24 м.

Как видно, коэффициент установки зависит от куба расстояния между приемником и передатчиком.
В результате вычислений для каждого разноса L мы находим кажущееся сопротивление.
Дальше нужно будет воспользоваться методикой интерпретации этих данных. Это можно сделать вручную по таблицам из книг, либо с помощью бесплатной программы IPI2WIN, разработанной на геологическом факультете МГУ.

В общем, проведение зондирования оказалось весьма похожим на мои любительские передачи, с той только разницей, что я передавал в течении двух минут сигнал, затем переносил передающую антенну на длину этой антенны (один электрод оставался воткнутым на своем месте, другой переносился дальше, пока хватало провода, и вновь втыкался в землю). Затем процесс повторялся.
На приемной стороне в дачном домике нетбук записывал принимаемые сигналы.

Трасса измерений показана на карте, всего выполнены измерения в 7 точках на разносах от 83 до 227 метров.


На фото ниже вид в сторону приемной позиции из последней седьмой точки зондирования:


По пути, любуясь разнотравием, обнаружил цветок, имеющий название "дремлик", разновидность орхидеи, которая растет в наших широтах:


Весь эксперимент занял всего полчаса. Оказалось, сигнал был успешно принят из каждой точки, и он отлично слышен на ускоренной записи (после фильтрации и нормализации):




послушаем:


---
Дальше началось самое интересное - обработка результатов.
Конечно, цифры можно получить лишь приблизительные. Для начала я предположил, что так как на всей трассе измерений грунт примерно одинаковый, то и ток в антенне будет в каждом случае примерно один и тот же, я положил его равным 50 мА, как это было получено ранее при контрольном измерении.
По приведенному скриншоту определяем амплитуды каждой из посылок, ориентируясь на шкалу справа. Затем для удобства их можно отнормировать, поделив на самую большую амплитуду. У меня получился такой ряд нормированных значений: 1    0.593,    0.293     0.168    0.128    0.064    0.044
Но чему же равны измеренные напряжения в Вольтах? Для этого на исходной записи (ненормированной по амплитуде) я определил амплитуду максимальной посылки - 750 условных единиц или по отношению ко всей шкале при 16 битах квантования 32768 это составит 0,022. АЦП звуковой карты, предположим, входит в насыщение при напряжении на линейном входе 0,7 В. Микрофонный вход имеет усиление в 10 раз. Остается посчитать U1=0.7 / 10 * 0.022 = 1.54 мВ.
Тут, конечно, может быть ошибка раза в два-четыре - мне неизвестно ни точное напряжение насыщения АЦП, ни усиление микрофонного входа. Но порядок величины скорее всего правильный.
Впрочем, это не так и важно - в методе кажущегося сопротивления достаточно знать относительные цифры, чтобы уже иметь возможность определить характер залегающих слоев и их глубину.
Посчитав для каждого расстояния "коэффициент установки", определяем и кажущиеся сопротивления:

Все, ручная работа закончена. Вводим полученные цифры в программу интерпретации данных вертикального электрического зондирования IPI2WIN и рассчитываем залегание слоев (геоэлектрический разрез) до глубины более 120 метров:






Разберемся в результатах.
Наиболее подходящей моделью залегания слоев оказалась трехслойная.
Верхний слой с сопротивлением 84 Ома - это песок, суглинок, а также тонкие слои глины и грунтовые воды, - простирается до глубины почти 50 метров.
Второй слой, лежащий глубже, имеет в несколько раз большее сопротивление - он плотнее и влаги в нем меньше. Если сопротивление 80 Ом как раз подходит для песков и суглинков, то 360 Ом - это ближе к известнякам. Так что внизу под нами на глубине 50 метров лежит слой, предположительно, известняка толщиной 64 метра.
Третий слой - мы захватили только самую его верхушку, он начинается глубоко, на 113 метрах, но он дает четкое влияние на распределение тока в земле, - это хорошо проводящий слой, видимо, водоносный. Судя по очень низкому сопротивлению, воды в нем много.
Я попытался сравнить полученные данные с теми геологическими данными для нашего региона, которые мне удалось найти. Похоже, что результаты зондирования отражают реальную картину залегания слоев!
Для меня это явилось очень интересным достижением. Метод работает! Хотя, безусловно, мои измерения и вычисления содержат много неучтенных факторов и погрешностей. Так, не учтено влияние рельефа местности, шаг измерений большой, на малых разносах измерения не проводились, поэтому верхний слой очень обобщенный, в нем не видны промежуточные слои, в том числе и водоносный слой на глубине 30 м, которым мы на участке пользуемся - у нас есть скважина.

Теперь, возвращаясь к результатам "радиолюбительских" экспериментов, можно понять причину резкого спада сигнала на дальностях более 500 метров. Ведь, действительно, странно - на 400 м сигнал виден прекрасно, на 600 уже совсем слабо, а дальше и вовсе теряется. Причина кроется в геологии - на больших расстояниях влияние глубинного слоя высокой проводимости велико, сигнал уходит в глубину. Кажущееся сопротивление с расстоянием падает, а значит падает быстрее чем по геометрическому закону и напряжение на приемной антенне.
Совсем иная картина была бы, если в глубине находился слой с высоким сопротивлением, например скальные породы. Ток растекался бы в основном в поверхностных слоях. В этом случае кажущееся сопротивлением с расстоянием росло бы, а значит напряжение на приемных клеммах с расстоянием уменьшалось бы намного медленнее.

В планах у меня есть желание, увеличив мощность передатчика, выполнить электрическое профилирование нашей местности, "заглянув" на большую глубину. Интересно, насколько мощен проводящий слой и что находится под ним. Может быть, там будет слой с большим сопротивлением, а значит сигнал можно будет уверенно принимать на большом расстоянии, преодолев зону плохого приема.

Еще раз отмечу, что я не геолог и не геофизик, я только начал знакомиться и осваивать на любительском уровне азы этих сложных и интересных наук.

Кроме ULF-наблюдений некоторое время было уделено и наблюдения в уже привычном диапазоне VLF. В этот раз применялась треугольная рамка из коаксиального кабеля площадью 18 квадратных метров. Прием осуществлялся с помощью VLF-приемника, описанного в моей  статье в журнале Радио №1-2/2015. Приняты сигналы мемориальной станции SAQ на частоте 17,2 кГц. Кроме того зафиксированы...

4. Поперечные резонансы (tweak mode resonance)
20 июня 2016 г над приемной позицией вечером прошла гроза, ночью она повторилась. Был получен очень интересный скриншот, на котром хорошо видны спектральные максимумы с шагом 1,7 кГц.

Это так называемые поперечные резонансы полости земля-ионосфера. Электромагнитные волны, порожденные грозовым разрядом, многократно, с малым поглощением, отражаются от поверхности Земли и от нижней границы ионосферы. Это подобно долгому затуханию эха в помещении с голыми стенами - хлопок в ладоши затухает несколько секунд (это явление называется реверберацией). Нечто подобное происходит и в данном случае. Вероятно, наилучшие условия для возникновения поперечных резонансов складываются, если происходит горизонтальный молниевый разряд облако-облако. Прием получается наиболее эффективным с использованием рамочной магнитной антенны, так как ее диаграмма направленности позволяет принимать волны, идущие сверху. А вот на электрическую антенну типа MiniWhip зафиксировать поперечные резонансы трудно. Частотные максимумы с шагом 1700 Гц дают высоту ионосферы около 90 км.

И в заключение несколько фотографий, сделанных в период проведения экспериментов:

Серебристые облака


Интенсивно клубящиеся адвективные облака, принесенные сильным ветром с запада - влажная воздушная масса.



Вечерние облака. Интересно дугообразное странное сияние справа вверху:



Редкая разновидность облаков: вымяобразные. Сквозь них просвечивают облака более высокого яруса.



Красивый закат с "облаками-эльфами":


Автор с благодарностью примет любые замечания и комментарии: rn3aus<at>mail.ru

73 de RN3AUS/Alex