Український антарктичний журнал

№ 1(18) (2019): Український антарктичний журнал
Articles

Дослідження низькочастотних ННЧ-ДНЧ радіоатмосфериків на Українській антарктичній станції «Академік Вернадський»

PDF (English)
  • О. В. Швець,
  • О. П. Ніколаєнко,
  • О. В. Колосков,
  • Ю. М. Ямпольский,
  • О. В. Буданов,
  • А. О. Швець
О. В. Швець
Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова, Національна академія наук України, вул. Академіка Проскури, 12, Харків, 61085, Україна
О. П. Ніколаєнко
Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова, Національна академія наук України, вул. Академіка Проскури, 12, Харків, 61085, Україна
О. В. Колосков
Радіоастрономічний інститут, Національна академія наук України, вул. Мистецтв, 4, Харків, 61002, Україна, Державна установа Національний антарктичний науковий центр МОН України, бульв. Тараса Шевченка, 16, Київ, 01601, Україна
Ю. М. Ямпольский
Радіоастрономічний інститут, Національна академія наук України, вул. Мистецтв, 4, Харків, 61002, Україна
О. В. Буданов
Радіоастрономічний інститут, Національна академія наук України, вул. Мистецтв, 4, Харків, 61002, Україна
А. О. Швець
Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова, Національна академія наук України, вул. Академіка Проскури, 12, Харків, 61085, Україна
DOI: https://doi.org/10.33275/1727-7485.1(18).2019.136
Опубліковано December 13, 2019
Ключові слова
  • перехідні ННЧ процеси,
  • однопозиційний метод локації блискавок,
  • радіохвилі ННЧ-ДНЧ,
  • хвилевід Земля-іоносфера,
  • твік-атмосферик,
  • нижня іоносфера
    • ...Більше
    Менше
Як цитувати
Швець, О. В., Ніколаєнко, О. П., Колосков, О. В., Ямпольский, Ю. М., Буданов, О. В., & Швець, А. О. (2019). Дослідження низькочастотних ННЧ-ДНЧ радіоатмосфериків на Українській антарктичній станції «Академік Вернадський». Український антарктичний журнал, (1(18), 116-127. https://doi.org/10.33275/1727-7485.1(18).2019.136
Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

Анотація

У даній статті описано результати вимірювань атмосфериків в діапазонах наднизькочастотних (ННЧ) і дуже низькочастотних (ДНЧ), виконаних на Українській антарктичній станції (УАС) «Академік Вернадський» (64.26 W; 65.25 S) протягом лютого—квітня 2019 року. Основною метою дослідження була реалізація однопозиційного методу для моніторингу параметрів нижньої іоносфери та локації потужних грозових розрядів, розподілених по всій планеті. Методи. Приймально-аналізуючий ДНЧ-комплекс використовувався на станції для реєстрації двох горизонтальних магнітних і вертикальної електричної компоненти атмосфериків в діапазоні частот 750 Гц — 24 кГц. Однопозиційний метод локації блискавок заснований на аналізі твік-атмосфериків (твіків) і реалізований в програмному забезпеченні приймальної системи. Записи ДНЧ атмосфериків були синхронізовані з допомогою часових міток GPS-приймача із записами перехідних ННЧ процесів, викликаних глобально розподіленими потужними грозовими розрядами. Результати аналізу твіків, зареєстрованих на УАС «Академік Вернадський», вказують на те, що розряди блискавки реєструються на відстанях від 2000 км до, приблизно, 10 000 км в межах азимутального сектора, що охоплює майже весь континент Південної Америки, південь Африки і Гвінейську затоку. Практично жодного твіка з Тихого океану не було зафіксовано. Це можна пояснити обопільним ослабленням радіохвиль, що поширюються в напрямках захід—схід і схід—захід. Окрім основного типу нормальних хвиль в твіках спостерігались нормальні хвилі другого і більш високих порядків. Це дозволило оцінити висоту нижньої межі і щільність електронів в нижній іоносфері. Представлено переваги одночасного запису ДНЧ атмосфериків і перехідних ННЧ процесів. Використання вертикальної електричної і двох горизонтальних магнітних компонент, виміряних комплексом ДНЧ, дозволило однозначно і більш точно визначити азимут джерела і визначити знак заряду який переноситься при розряді блискавки. Поєднуючи записи ННЧ і ДНЧ, ми можемо визначити дальність до блискавки, а потім параметри токового моменту грозового розряду. Висновки. Проведені експериментальні дослідження показали перспективу подальшого комбінованого ННЧ-ДНЧ моніторингу на УАС «Академік Вернадський», що дозволяє виявляти потужні грозові розряди і зміни в нижній іоносфері, пов'язані з різними явищами космічної погоди, атмосферного і земного походження.

PDF (English)

Посилання

  1. Abarca, S. F., Corbosiero, K. L., Galarneau, T. J. 2010. An evaluation of the Worldwide Lightning Location Network (WWLLN) using the National Lightning Detection Network (NLDN) as ground truth. Journal of Geophysical Research, 115(D18206). https://doi.org/10.1029/2009JD013411
  2. Abreu, D., Chandan, D., Holzworth, R. H., Strong, K. 2010. A performance assessment of the World Wide Lightning Location Network (WWLLN) via comparison with the Canadian Lightning Detection Network (CLDN). Atmos. Measure. Techniques, 3(4), 1143-1153. https://doi.org/10.5194/amt-3-1143-2010
  3. Biagi, C. J., Cummins, K. L., Kehoe, K. E., Krider, E. P. 2007. National Lightning Detection Network (NLDN) performance in southern Arizona, Texas, and Oklahoma in 2003-2004. Journal of Geophysical Research, 112(D05208). https://doi.org/10.1029/2006JD007341
  4. Boccippio, D. J.,Williams, E.R., Heckman, S.J., Lyons, W.A., Baker, I.T., Boldi, R. 1995. Sprites, ELF transients and positive ground strokes. Science, 269, 1088 - 1091. https://doi.org/10.1126/science.269.5227.1088
  5. Brundell, J.B., Rodger, C.J., Dowden, R.L. 2002. Validation of single-station lightning location technique. Radio Sci., 37 (4). https://doi.org/10.1029/2001RS002477
  6. Burke, C. P., Jones, D. L. 1996. On the polarity and continuing currents in unusually large lightning flashes deduced from ELF events. Journal of Atmospheric and Terresfrial Physics, 58(5), 531-540. https://doi.org/10.1016/0021-9169(95)00054-2
  7. Chrissan, D.A., Fraser-Smith, A.C. 1996. Seasonal Variations of Globally Measured ELF / VLF Radio Noise. Technical Report D177-1. Stanford University Dept. Of Electrical Engineering, STAR Lab. https://doi.org/10.21236/ADA358414
  8. Chrissan, D.A., Fraser-Smith, A.C. 1996. Seasonal Variations of Globally Measured ELF / VLF Radio Noise. Radio Science, 31(5), 1141-1152. https://doi.org/10.1029/96RS01930
  9. Ester, M., Kriegel, H.-P., Sander, J., Xu, X. 1996. A density-based algorithm for discovering clusters in large spatial databases with noise. Proceedings of 2nd International Conference on Knowledge Discovery and Data Mining (KDD-96). 226-231.
  10. Cummer, S. A., Inan, U. S. 1997. Measurement of charge transfer in sprite-producing lightning using ELF radio atmospherics. Geophysical Research Letters, 24, 1731-1734. https://doi.org/10.1029/97GL51791
  11. Cummer, S. A., Inan, U. S., Bell, T. F., Barrington-Leigh, C. P. 1998. ELF Radiation Produced by Electrical Currents in Sprites. Geophysical Research Letters, 25(8), 1281-1284. https://doi.org/10.1029/98GL50937
  12. Cummins, K. L., Murphy, M. J., Bardo, E. A., Hiscox, W. L., Pyle, R. B., Pifer, A. E. 1998. A combined TOA/MDF technology upgrade of the U.S. National Lightning Detection Network. J. Geophys. Res., 103, 9035-9044. https://doi.org/10.1029/98JD00153
  13. Cummins, K. L., Cramer, J. A., Biagi, C. J., Krider, E. P., Jerauld, J., Uman, M. A., Rakov, V. A. 2006. The U. S. National Lightning Detection Network: Post-upgrade status. Second Conference on Meteorological Applications of Lightning Data. Am. Meteorol. Soc., Atlanta, Ga., 29 Jan. to 2 Feb.
  14. Friedrich, M., Pock, C., Torkar, K. 2018. FIRI-2018, an updated empirical model of the lower ionosphere. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 123, 6737-6751. https://doi.org/10.1029/2018JA025437
  15. Füllekrug, M., Reising, S.C., Lyons, W. A. 1996. On the accuracy of arrival azimuth determination of sprite-associated lightning flashes by Earth-ionosphere cavity resonances. Geophys. Res. Lett., 23(25), 3691−3694. https://doi.org/10.1029/96GL03538
  16. Füllekrug, M., Constable, S. 2000. Global triangulation of lightning discharges. Geophys. Res. Lett., 27, 333−336. https://doi.org/10.1029/1999GL003684
  17. Füllekrug, M., Constable, S., Heinson, G., Sato, M., Takahashi, Y., Price, C., Williams, E. 2000. Global lightning acquisition system installed. EOS Trans AGU 81(30):333. https://doi.org/10.1029/00EO00252
  18. Gorishnya Y. V. 2014. Electron density and lower ionosphere height estimations by results of analysis of multimodal tweek-atmospherics. Radiophysics and electronics, 19(1), 20-28. (In Russian).
  19. Huang, E., Williams, E., Boldi, R., Heckman, S., Lyons, W., Taylor, M., Nelsonfi,T., Won, C. 1999. Criteria for sprites and elves based on Schumann resonance observations. Journal of Geophysical Research, 104(D14), 16,943 -16,964. https://doi.org/10.1029/1999JD900139
  20. Hutchins, M.L., Holzworth, R. H., Brundell, J. B., Rodger, C. J. 2012. Relative detection efficiency of the World Wide Lightning Location Network. Radio Science, 47 (RS6005). https://doi.org/10.1029/2012RS005049
  21. Kemp, D.T., Jones, D. Ll. 1971. A new technique for analysis of transient ELF electromagnetic disturbances within the Earth−ionosphere cavity. J. Atmos. Terr. Phys., 33, 567−572. https://doi.org/10.1016/0021-9169(71)90059-6
  22. Kemp, D.T. 1971. The global location of large lightning discharges from single station observations of ELF disturbances in the Earth−ionosphere cavity. J. Atmos. Terr. Phys., 33, 919−928. https://doi.org/10.1016/0021-9169(71)90091-2
  23. Koloskov, A. V., Budanov, O. V., Bezrodny, V. G., Yampolski, Yu. M. 2004. Location of Superpowerful Lightning Flashes through Polarization Magnetic Measurements in Schumann Resonance Waveband. Radio Physics and Radio Astronomy, 9(4), 391-403.
  24. Lazebny, B.V., Nickolaenko, A.P. 1976. Synchronous observations of the ELF bursts in the frequency range of the Schumann resonances. Geomagnetism and Aeronomia, 16(1), 121-126, (in Russian).
  25. Nickolaenko, A. P., Hayakawa, M., Ogawa, T., Komatsu, M. 2008. Q-bursts: A comparison of experimental and computed ELF waveforms. Radio Sci., 43(RS4014). https://doi.org/10.1029/2008RS003838
  26. Nickolaenko, A.P., Hayakawa, M. 2002. Resonances in the Earth-ionosphere cavity. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht-Boston-London.
  27. Nickolaenko A., Hayakawa, M. 2014. Schumann Resonance for Tyros (Essentials of Global Electromagnetic Resonance in the Earth-Ionosphere Cavity). Springer Geophysics Series XI. Springer Tokyo Heidelberg New York Dordrecht London. https://doi.org/10.1007/978-4-431-54358-9
  28. Nickolaenko, A.P., Shvets, A.V., Hayakawa, M. 2016. Extremely Low Frequency (ELF) Radio Wave Propagation: A review. International Journal of Electronics and Applied Research (IJEAR), 3(2), 1-91. http://eses.net.in/online_journal.html. https://doi.org/10.1002/047134608X.W1257.pub2
  29. Ogawa, T., Tanaka, Y., Fraser-Smith, A.C., Gendrin, R. 1967. Worldwide simultaneity of a Q−burst in the Schumann resonance frequency range. J. Geomagn. Geoelectr., 19, 377−384. https://doi.org/10.5636/jgg.19.377
  30. Ogawa, T, Komatsu, M. 2007. Analysis of Q-burst waveforms. Radio Sci., 42(RS2S18). https://doi.org/10.1029/2006RS003493
  31. Ogawa, T, Komatsu, M. 2009. Q-bursts from various distances on the Earth. Atmospheric Research, 538-545. https://doi.org/10.1016/j.atmosres.2008.04.013
  32. Orville, R. E., Huffines, G. R. 2001. Cloud-to-ground lightning in the United States: NLDN results in the first decade, 1989-98. Mon.Weather Rev., 129, 1179-1193. https://doi.org/10.1175/1520-0493(2001)129<1179:CTGLIT>2.0.CO;2
  33. Orville, R. E., Huffines, G. R., Burrows, W. R., Holle, R. L., Cummins, K. L. 2002. The North-American Lightning Detection Network (NALDN)-First results: 1998-2000. Mon. Weather Rev., 130, 2098-2109. https://doi.org/10.1175/1520-0493(2002)130<2098:TNALDN>2.0.CO;2
  34. Price, C., Asfur, M., Lyons, W., Nelson, T. 2002. Improved ELF/VLF method for globally geolocating spriteproducing lightning. Geophys. Res. Lett., 29, 1031. https://doi.org/10.1029/2001GL013519
  35. Rafalsky, V.A., Nickolaenko, A. P., Shvets, A. V., Hayakawa, M. 1995. Location of lightning discharges from a single station. J. Geoph. Res., 100(D10), 20,829-20,838. https://doi.org/10.1029/95JD01532
  36. Rafalsky, V. A., Shvets, A. V., Hayakawa, M. 1995. Onesite distance-finding technique for locating lightning discharges. J. Atmos. Terr. Phys., 57, 1255-1261. https://doi.org/10.1016/0021-9169(95)00011-P
  37. Ryabov, B. S. 1994. Tweek formation peculiarities. Geomagnetism And Aeronomy. English Translation, 34(1), Russian Edition: January-February 1994, 60-66.
  38. Sato, M., Fukunishi, H. 2003. Global sprite occurrence locations and rates derived from triangulation of transient Schumann resonance events. Geophys. Res. Lett., 30(16), 1859. https://doi.org/10.1029/2003GL017291
  39. Sato, M., Takahashi, Y., Yoshida, A., Adachi, T. 2008. Global distribution of intense lightning discharges and their seasonal variations. Journal of Physics D: Applied Physics, 41, 234011 (10pp). https://doi.org/10.1088/0022-3727/41/23/234011
  40. Shvets, A. V., Gorishnyaya, Y. V. 2011. Lightning location and estimation of the lower ionosphere effective height using dispersion properties of tweek-atmospherics. Radiophysics and Electronics, 16(4), 53-59, (In Russian).
  41. Shvets, A. V., Serdiuk, T. M., Gorishnyaya, Y. V., Hobara, Y., Hayakawa, M. 2014. Estimating the lower ionosphere height and lightning location using multimode "tweek"-atmospherics. JASTP, 108. 1 - 9. https://doi.org/10.1016/j.jastp.2013.11.007
  42. Shvets, A.V., Krivonos, A.P., Serdiuk, T.N., Hayakawa, M. 2017. A Technique for Automatic Monitoring the Lower Ionosphere and Lightning Location by Tweek-Atmospherics. International Journal of Electronics and Applied Research (IJEAR), 4(1), 37-51. http://eses.net.in/online_journal.html.
  43. Shvets, A.V., Krivonos, A.P., Ivanov, V.K. 2016. A complex for multicomponent measurements of the ELF-VLF electromagnetic fields. Radiophysics and electronics, 7(21), 4. 49-55. (In Russian). https://doi.org/10.15407/rej2016.04.049
  44. Shvets, A.V., Serdiuk, T., Krivonos, A., Hayakawa, M. 2018. Automatic method for monitoring the lower ionosphere and lightning location by tweek-atmospherics. Proc. of the 2018 International Symposium on Electromagnetic Compatibility (EMC Europe 2018). Amsterdam, The Netherlands, August 27-30, 2018, 789-794. https://doi.org/10.1109/EMCEurope.2018.8485180
  45. Shvets, O.V., Nickolaenko, O.P., Koloskov, O.V., Yampolski, Y.M., Budanov, O.V., Shvets, A.O. 2019. First results of observations of tweek atmospherics at Akademik Vernadsky station. IX IAC 2019, Kyiv, Ukraine, 14-16 May, 2019. 176-178.
  46. Shvets, A.V., Krivonos, A.P. 2017. Preliminary results of monitoring the lower ionosphere based on the analysis of tweek-atmospherics. Radiophysics and electronics, 22(3), 14-22. (In Russian). https://doi.org/10.15407/rej2017.03.014
  47. Sukhorukov, A. I., Shimakura, S., Hayakawa, M. 1992. Approximate solution for the VLF eigenvalues near cutoff frequencies in the nocturnal inhomogeneous Earth-ionosphere waveguide. Planet. Space Sci., 40(10), 1363-1369. https://doi.org/10.1016/0032-0633(92)90092-3
  48. Sukhorukov, A. I., Shimakura, S., Hayakawa, M. 1992. On The Additional Dispersion of a Whistler in the Earth-Ionosphere Waveguide. Planet. Space Sci., 40(9), 1185-1191. https://doi.org/10.1016/0032-0633(92)90074-X
  49. Sukhorukov, A.I. 1996. ELF-VLF atmospheric waveforms under night-time ionospheric conditions. Annales Geophysicae, 14, 33-41. https://doi.org/10.1007/s00585-996-0033-7
  50. Yamashita, M. 1978. Propagation of tweek atmospherics. Journal of Atmospheric and Terrestrial Physics, 40. 151-156. https://doi.org/10.1016/0021-9169(78)90019-3
  51. Yatsevich, E.I, Shvets, A. V., Nickolaenko, A.P. 2014. Impact of the ELF Receiver on Characteristics of the Observed Q-bursts. Radiophysics and Quantum Electronics, 57(3), 176-186. https://doi.org/10.1007/s11141-014-9502-0