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大気ノイズは、自然の大気プロセス、主に雷雨時の雷放電によって引き起こされる電波ノイズ、または「静電気」です。世界規模では、1秒間に約40回の雷が発生し、 1日あたり約350万回の雷放電が発生します。[2]
稲妻
大気ノイズは、自然の大気プロセス、主に雷雨時の雷放電によって引き起こされる電波ノイズです。主に雲対地の雷によって引き起こされますが、その電流は雲対雲の雷よりもはるかに強いためです。[2] 世界規模では、毎日350万回の雷が発生しています。つまり、1秒間に約40回の雷が発生していることになります。[3]
これらすべての稲妻の閃光が合わさって、大気ノイズが発生します。これは、未使用の周波数に合わせられたAM ラジオやSSB 受信機で簡単に聞くことができます。 [4] 聞こえる雑音は、ホワイト ノイズ(遠くの雷雨の累積) とインパルス ノイズ(比較的近い雷雨の場合) の組み合わせです。この電力の合計は、季節や雷雨の中心の近さによって異なります。これは、古いアナログ テレビで空きチャンネルに合わせられたランダムな斑点として見ることができます。
雷は広範囲のスペクトルを放射しますが、そのノイズパワーは周波数が低くなるにつれて大きくなります。そのため、非常に低い周波数と低周波では大気ノイズが支配的になることが多く、一方、高周波では都市部では人工ノイズが支配的になります。
歴史
初期の調査と研究
1925年、AT&Tベル研究所は大西洋横断無線電話サービスのノイズ源の調査を開始しました。[5] (pp 402–408)
1928年、当時22歳の研究者KGジャンスキーが、この研究を引き受けました。1930年までに、ニュージャージー州ホルムデルに、全方向のノイズを測定するための波長14.6メートルの無線アンテナが建設されました。ジャンスキーは、無線ノイズの3つの発生源を認識しました。[5] (pp 404–405)
- 最初の（そして最も強力な）原因は、局所的な雷雨でした。
- 2 番目の発生源は、より遠くの雷雨からの弱いノイズでした。
- 3 番目の音源はさらに弱いヒス音で、天の川銀河の中心からの銀河ノイズであることが判明しました。
ジャンスキーの研究により、彼は「電波天文学の父」と呼ばれるようになった。[5] (p 406)
1950年代初頭、SVCアイヤは放送に対する雷と雷雨の累積的影響の数学的モデルを発表しました。[6]
その後の調査データ
1960年代から1980年代にかけて、大気ノイズとその変動を測定する世界的な取り組みがなされました。結果はCCIRレポート322に文書化されています。 [1] [7] CCIR 322は、1日4時間ブロックにおける1MHzの大気ノイズ指数F a の予想値を示す季節ごとの世界地図を提供しました。別のチャートセットは、 1MHzのF aを他の周波数と関連付けています。CCIRレポート322は、ITU R-RE-P.372の発行によって置き換えられました。[8]
乱数生成
大気のノイズや変動も高品質の乱数を生成するために利用されます。アルゴリズムを使用し本質的に決定論的な疑似乱数生成器（PRNG）とは異なり、真性乱数生成器（TRNG）は物理現象からランダム性を導き出すことができます。[9]
RANDOM.ORGは大気ノイズを利用して真にランダムな数値を生成します。無線を使用して大気ノイズをキャプチャし、このノイズの振幅の変化を乱数のストリームに変換します。[9]数式に依存するPRNGとは異なり、大気ノイズによって生成される数値は事前に決定されていません。
アプリケーション
- 暗号化: 安全な暗号化キーを生成するには、真の乱数が不可欠です。
- 統計的サンプリング:調査や実験において偏りのないサンプリングを保証します。
- シミュレーション:複雑なシステムやプロセスをモデル化するためにモンテカルロ シミュレーションで使用されます。
予測可能性
大気ノイズを乱数生成に利用する際の問題の1つは、宇宙の決定論的な性質です。大気ノイズに影響を与えるすべての要因を完全に理解して測定できれば、予測可能になると主張する人もいます。しかし、気象システムの複雑さと、すべての分子の位置や速度などの変数を測定することの難しさにより、これらの数値を予測することは事実上不可能です。[9]このため、大気ノイズは理論的には予測可能であっても、実際には予測不可能であり、乱数生成に役立ちます。
参照
参考文献
- ^ ab 大気電波雑音データの特性と応用（報告書）。国際無線通信諮問委員会（CCIR）。ジュネーブ、スイス：国際電気通信連合（ITU）。1968年。CCIR報告書322-3。 ; 最初の CCIR レポート 322 は 1963 年、改訂第 1 版、2 番目はISBN 92-61-01741-Xです。
- ^ ab 「年間雷フラッシュ率マップ」。Science on a Sphere。sos.noaa.gov 。データセット。アメリカ海洋大気庁（NOAA）。2014年3月24日時点のオリジナルよりアーカイブ。2014年5月15日閲覧。
- ^ Spaulding, Arthur D.; Washburn, James S. (1985 年 4 月)。大気電波ノイズ: 世界的レベルおよびその他の特性 (レポート)。NASA Sti/Recon 技術レポート N. 第 86 巻。コロラド州ボルダー: 米国商務省、国立電気通信情報局、電気通信科学研究所。p. 13639。Bibcode :1985STIN...8613639S。NTIA レポート TR-85-173。
- ^ 大気ノイズのサンプル。ycars.org (音声録音)。ペンシルベニア州ヨーク郡: ヨーク郡アマチュア無線協会。 2005年12月18日時点のオリジナル(MP3)からアーカイブ。2008年3月14日閲覧。
- ^ abc シン、サイモン（2005年）。ビッグバン：宇宙の起源。ハーパー・ペレニアル。ISBN 978-0-00-716221-5。
- ^ Aiya, SVC (1956年12月). 「標準放送帯域における熱帯雷雨からのノイズ放射」. Nature . 178 (4544): 1249. Bibcode :1956Natur.178.1249C. doi : 10.1038/1781249a0 . S2CID 186242557.
- ^ Lawrence, DC (1995年6月). ノイズ変動パラメータ。CCIRレポート322（レポート）。カリフォルニア州サンディエゴ：米国海軍指揮統制海洋監視センター、RDT&E部門。NRaD技術文書2813。2009年11月13日時点のオリジナルよりアーカイブ。
- 代替ソース
- ^ 無線ノイズ（レポート）。ITU 勧告。ジュネーブ、スイス：国際電気通信連合（ITU）。R-RE-P.372 – ITU.int 経由。
- ^ abc Haahr, Mads. 「ランダム性と乱数入門」. random.org (自費出版) . 2011年11月14日閲覧。