بررسی تحریک و انتشار امواج الکترومغناطیس باند فرکانسی بسیار پایین در ناحیه نزدیک به سطح زمین

نوع مقاله: پژوهشی کاربردی

نویسندگان

استادیار، گروه فیزیک فضا، مؤسسه ژئوفیزیک، دانشگاه تهران، تهران، ایران

چکیده

تحریک و انتشار امواج الکترومغناطیسی در باند‌های فرکانسی بسیار پایین در جو زمین، کاربردهای بسیاری در زمینه‌های مختلف، از جمله فیزیک فضا، ارتباطات رادیویی و پیش‌نشانگری زلزله دارد. لذا این طیف فرکانسی همواره مورد توجه پژوهشگران بوده است. با توجه به پیچیدگی‌های بسیار زیاد، مطالعه و بررسی تحریک این نوع امواج الکترومغناطیسی همواره مشکل بوده است. هدف از این پژوهش بررسی تحریک امواج رادیویی در طیف فرکانسی بی‌نهایت پایین (ULF (Ultra Low Frequency (300 Hz to 3 kHz)) و ELF (Extremely Low Frequency (3 to 30 Hz))) در بازه فرکانسی 3 هرتز تا ۳ کیلوهرتز، و طیف فرکانسی خیلی پایین (VLF (Very Low Frequency (3 to 30 kHz))) در بازه فرکانسی ۳ تا ۳۰ کیلو‌هرتز در لایه E یون‌سپهر، در ارتفاع 8۰ تا ۱۲۰ کیلومتری از سطح زمین می‌باشد. در این تحقیق از روش‎‌های عددی، برای تحریک جریان الکتریکی، و ایجاد آنتن مجازی در لایه پلاسما برای تولید امواج VLF استفاده شده است. همچنین تحریک لایه پلاسما و تغییر میزان ضرایب هدایت با استفاده از امواج الکترومغناطیسی باند فرکانسی بالا HF (High Frequency) مورد بحث قرار گرفته است. مدل عددی مورد استفاده در این تحقیق شامل قوانین ماکسول و ضرایب رسانایی لایه یون‌سپهر می‌باشد که در نوع خود منحصر بفرد است. این مدل تغییرات لایه یون‌سپهر بر روی انتشار امواج ارسالی، و همچنین تحریک امواج ثانویه را از طریق ترکیب ضرایب هدایت با قوانین ماکسول شبیه‌سازی می‌کند، به‌طوری‌که زمان انجام محاسبات تا حد قابل توجهی کاهش می‌یابد. نتایج نشان می‌دهد که آنتن‌های زمین پایه در باند فرکانسی ELF دارای بازدهی بسیار خوبی بوده و می‌توانند جایگزین مناسبی برای ایجاد این امواج توسط فرستنده‌های قوی باند HF که به گرم‌کننده لایه بالای جو معروف هستند، باشند. همچنین نتایج این شبیه‌سازی نشان می‌دهدکه میزان نفوذ موج پالسی در لایه یون‌سپهر کمتر از۱۰ کیلومتر در فرکانس ۱۰۰ هرتز بوده و امواج تحریکی دارای سرعت انتشار در حدود ۱۰۰۰ کیلومتر بر ثانیه می‌باشند. میزان نفوذ امواج الکترومغناطیسی در جو زمین با افزایش فرکانس ارسالی به طیف فرکانسی خیلی پایین VLF به‌میزان بسیار زیادی کاهش می‌یابد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

New Approach of Low-Frequency Electromagnetic Wave Generation in the Near-Earth Environment

نویسندگان [English]

  • Ali Reza Mahmoudian
  • Mohammad Javad Kalaee
Assistant Professor, Department of Space Physics, Institute of Geophysics, University of Tehran, Tehran, Iran
چکیده [English]

This work presents the study on the electromagnetic wave penetration into the ionosphere in the frequency range of 10 Hz to 3 kHz and 3 kHz to 30 kHz, corresponding to the Extremely Low Frequency (ELF) and Very Low Frequency (VLF) for telecommunication applications and earthquake prediction. The ELF-VLF waves can also be generated through natural phenomena such as lightning as well as pre-seismic activities. The ELF generation before major earthquakes has been reported in several studies. Therefore, having a complete model capable of simulating the ELF waves generation and propagation in the disturbed ionospheric conditions, associated with pre-earthquake activities can be used to save human lives by predicting the exact location of a major earthquake. This study aims at developing a computational model in order to investigate the ELF –VLF wave generation and propagation in the lower ionosphere that can be used as a precursor for seismic events.
Another application of this frequency band is in the radio navigation. The VLF navigation system known as OMEGA was very popular and used for many applications such as navigation of ships, airplanes and also in the land. The system was in use until the late 1990s when it was replaced by Global Positioning Systems (GPS) due to high accuracy and low cost. Very recently, there has been an effort to renew the VLF navigation systems at a low cost. This will require a new approach for VLF wave generation in the ionosphere at a lower cost in comparison with regular transmitters. The efficiency of VLF wave generation in the lower ionosphere using a ground-based dipole antenna in the equatorial region is examined in this study.
In this study, we have shown that transmitted signal from the ground into the ionosphere can generate a current in the lower ionosphere, which may expand up to a few kilometers depending on the ionospheric conductivities and the frequency or modulation of the transmitted signal from the ground. This study investigates the generation of secondary currents and the artificial antenna in the ionosphere in order to develop a new technique for generating these signals for navigation applications. The approache for improving the efficiency of this technique including pre-modulation of the ionosphere using high-power high frequency (HF) signal for modifying the conductivities in the ionosphere is discussed.
The main idea here is to investigate the efficiency of Whistler wave generation in the E region in different ionospheric conditions. Specifically, the effect of pulse and continuous probing of the lower ionosphere with ELF-VLF signals and the generation of secondary waves and currents due to high conductivities are investigated. We have also proposed the application of this model to study the generation and propagation of ELF-VLF signal associated with the earthquake in the disturbed ionospheric conditions. This includes the variation of background ionospheric plasma and its effect on the penetration of the signal in the ionosphere and length scale of the excitied currents. This study may be critical to determine the exact location of a major earthquake using the pre-seismic activities such as generation and propagation of ELF waves. The variation of background ionospheric parameters such as electron density and ionospheric disturbances due to pre-earthquake conditions on the excitation and penetration of ELF-VLF waves into the E-region will be investigated in future studies.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Radiowave propagation
  • ELF-VLF wave generation
  • Ionosphere
  • radio navigation
  • earthquake prediction

Borisov, N. and Stubbe, P., 1997, Excitation of longitudinal (field-aligned) currents by modulated HF heating of the ionosphere, J. Atmos. Solar-Terr. Phys., 59, 1973–1989.

Cohen, M. B., Inan, U. S. and Gołkowski, M., 2008, Geometric modulation: A more effective method of steerable ELF/VLF wave generation with continuous HF heating of the lower ionosphere, Geophys. Res. Lett., 35, L12101, doi:10.1029/2008GL034061.

Cohen, M. B., Inan, U. S., Gołkowski, M. and Lehtinen, N. G., 2010a, On the generation of ELF/VLF waves for long-distance propagation via steerable HF heating of the lower ionosphere, J. Geophys. Res., 115, A07322, doi:10.1029/2009JA015170.

Cohen, M. B., Inan, U. S., Gołkowski, M. and McCarrick, M. J., 2010b, ELF/VLF wave generation via ionospheric HF heating: Experimental comparison of amplitude modulation, beam painting, and geometric modulation, J. Geophys. Res., 115, A02302, doi:10.1029/2009JA014410.

Cohen, M. B., Inan, U. S. and Paschal, E. P., 2010c, Sensitive broadband ELF/VLF radio reception with the AWESOME instrument, IEEE Trans. Geosci. Remote Sens., 48(1), 3–17, doi:10.1109/TGRS.2009.2028334.

Eliasson, B. and Papadopoulos, K., 2009, Penetration of ELF currents and electromagnetic fields into the Earth’s equatorial ionosphere, J. Geophys. Res., 114, A10301, doi:10.1029/2009JA014213.

Lyatsky, W., Belova, E. G. and Pashin, A. B., 1996, Artificial magnetic pulsation generation by powerful ground-based transmitter, J. Atmos. Terr. Phys., 58, 407–414.

Master, M. J. and Uman, A. M., 1983, Transient electric and magnetic fields associated with establishing a finite electrostatic dipole, Am. J. Phys., 51(2), 118– 126.

Papadopoulos, K., 2015, Ionspheric modifications using mobile, high power HF transmitters based on TPM technology, paper presented at 2015 IEEE International Conference on Plasma Science (ICOPS), 24–28 May, Antalya, Turkey.

Wilkes, O., Nils P. G. and Ingvar, B., 1987. Loran-C and Omega: a study of the military importance of radio navigation aids. Oslo; Oxford; New York: Norwegian University Press/Oxford University Press. ISBN 82-00-07703-9.