ラジオ大気信号

電波大気信号またはスフェリック（「スフェリック」と綴られることもある）は、自然の大気雷放電の結果として発生する広帯域の 電磁インパルスである。スフェリックは、地球電離層導波管内で大きな減衰を受けることなく雷源から伝播し、発生源から数千キロメートル離れた場所でも受信される。時間領域プロットでは、スフェリックは時間領域データ内の単一の高振幅スパイクとして現れることがある。スペクトログラムでは、スフェリックは（その広帯域性とインパルス性を反映する）垂直の縞として現れ、大気の状態に応じて数kHzから数十 kHz に及ぶことがある。

約2,000 キロメートル以上の距離から受信された電波は、周波数が時間的にわずかにずれているため、誤差が生じます。

磁気圏からの電磁エネルギーが地球電離層導波管から抜け出して磁気圏に入ると、地球近傍のプラズマによって分散され、ホイッスラー信号を形成します。ホイッスラーの発生源はインパルス（つまり、磁気圏）であるため、ホイッスラーは磁気圏のインパルス応答（特定の瞬間の状況） として解釈できます。

雷の経路とそのすべての枝と電流は、あらゆる周波数の電磁波が放射される巨大なアンテナ システムのように動作します。光が見え、雷鳴が聞こえる距離 (通常約 10 km) を超えると、これらの電磁インパルスが、地上の雷雨活動に関する直接的な情報源となります。リターン ストローク (R ストローク) または雲内ストローク (K ストローク) 中の過渡電流は、スフェリック (大気圏と呼ばれることもあります) と呼ばれるインパルス型電磁放射を生成する主な発生源です。^[1]このインパルス放射は、約 100 kHz 未満の周波数 (大まかに長波と呼ばれる) で優勢ですが、高周波数では連続的なノイズ成分がますます重要になります。^{[2] [3]}スフェリックの長波電磁伝播は、地球表面と電離層のD 層および E 層の間の地球電離層導波管内で発生します。落雷によって発生したホイッスラーは、地磁気力線に沿って磁気圏内に伝播することがある。 ^{[4] [5]}最後に、中間圏高度で発生する上層大気雷またはスプライトは、おそらく地上での巨大な落雷によって発生する短命の電気破壊現象である。

典型的な雲対地雷撃（R雷撃）では、雷路内に蓄えられたQ ≈ 1 C程度の負電荷（電子）が、典型的なインパルス時間間隔τ = 100 μs 内に地面に落とされる。これは、雷路内を流れる平均電流J ≈ Q ⁄ τ = 10 kA程度に相当する。最大スペクトルエネルギーは、周波数f ≈ 1 ⁄ τ = 10 kHz 付近で生成される。^[6]または波長λ = c ⁄ f ≈ 30 km（cは光速）で最大となる。典型的な雲内 K 雷撃では、雷路上部のQ ≈ 10 mC程度の正電荷と下部の同量の負電荷が、典型的な時間間隔τ ≈ 25 μs 内に中和される。平均電流、周波数、波長の対応する値は、J ≈ 400 A、 f ≈ 40 kHz、 λ ≈ 7.5 kmです。Kストロークのエネルギーは、一般にRストロークのエネルギーよりも2桁弱いです。^[7]

雷の経路の典型的な長さは、 ℓ≈ ⁠のオーダーと推定できます。1/4⁠ Rストロークの場合λ = 8 km 、 ℓ ≈ ⁠1/2⁠ K ストロークの場合、 λ = 4 km^[1]その「パルス」時間は通常約10～150 ms の間で変化し、その電流はJ ≈ 100 A のオーダーで、 Q ≈ 1～20 C 、 f ≈ 7～100 Hz、 λ ≈ 3～40 Mmの数に対応します。Rストロークと K ストロークの両方が、1～100 kHz に調整された広帯域受信機内でコヒーレントなインパルス波形として見られる電界を生成します。インパルスの電界強度は数マイクロ秒以内に最大値まで増加し、その後減衰振動子のように減少します。^[8][9]電界強度の増加の方向は、それが負の放電か正の放電かによって異なります。

雷のチャンネルの目に見える部分の長さは、通常約 5 km です。同等の長さの別の部分は雲の中に隠れていて、大きな水平方向の分岐がある場合があります。明らかに、R ストロークと K ストロークの電磁波の主波長は、チャンネルの長さよりもはるかに長いです。したがって、チャンネル内の電磁波伝播の物理は、光線の概念が破綻するため、全波理論から導き出されなければなりません。

Rストロークのチャネルは、負の電荷が蓄えられた長さL、直径dの細い孤立したワイヤと考えることができる。電気回路理論では、電荷が蓄えられるコンデンサ、チャネルの抵抗、チャネルの電気特性をシミュレートするインダクタンスを備えた単純な伝送線路モデルを採用することができる。 ^[10]完全に導電性のある地球の表面と接触した瞬間に、電荷は地面に降ろされる。ワイヤの上部（ゼロ電流）と地面（ゼロ電圧）の境界条件を満たすために、定在共振波モードのみが出ることができる。したがって、電荷を地面に最も効率的に輸送する基本モードの波長λは、チャネル長Lの4倍である。Kストロークの場合、下限は上限と同じである。^{[7] [10]}もちろん、この図は波モード1（λ/4アンテナ）とおそらくモード2（λ/2アンテナ）にのみ有効です。これらのモードはまだ実際の雷チャネルのねじれた構成を「感じ」ていないためです。高次モードは、より高い周波数範囲（> 100 kHz）での非コヒーレントなノイズ信号に寄与します。

地磁気は、垂直ヘルツ ダイポールアンテナの電磁放射場によって近似的にシミュレートできます。地磁気の最大スペクトル振幅は、通常 5 kHz 付近です。この最大値を超えると、地球の表面が完全に導電性である場合、スペクトル振幅は 1/f に減少します。実際の地面の影響は、高周波数を低周波数よりも強く減衰させることです (ゾンマーフェルトの地表波)。

R ストロークは、そのエネルギーのほとんどを ELF/VLF 範囲 ( ELF = 極低周波、< 3 kHz、VLF = 超低周波、3–30 kHz) で放射します。これらの波は、地上および電離層 D 層内で反射され、減衰します。電離層 D 層内では、昼間は高度 70 km 付近、夜間は高度 90 km 付近で反射および減衰します。地上での反射と減衰は、周波数、距離、地形によって異なります。電離層 D 層の場合は、さらに、時刻、季節、緯度、地磁気によって複雑に依存します。地球-電離層導波管内の VLF 伝搬は、光線理論と波動理論によって説明できます。^{[11] [12]}

距離が約 500 km 未満の場合 (周波数によって異なります)、レイ理論が適切です。地上波と電離層 D 層で反射された最初のホップ (または空) 波は、互いに干渉します。

約 500 km を超える距離では、電離層で数回反射された天空波が加算される必要があります。したがって、ここではモード理論の方が適切です。最初のモードは地球 - 電離層導波管内で最も減衰が少なく、したがって約 1000 km を超える距離では支配的になります。

地球電離層導波管は分散性です。その伝搬特性は、主に距離 ρ と周波数 f に依存する伝達関数T(ρ, f) によって記述されます。VLF 範囲では、約 1000 km を超える距離ではモード 1 のみが重要になります。このモードの減衰が最小になるのは、約 15 kHz です。したがって、地球電離層導波管はバンドパス フィルターのように動作し、広帯域信号からこの帯域を選択します。約 5000 km を超える距離では、15 kHz 信号が優勢になります。ELF 波 (< 3 kHz) の場合、光線理論は無効になり、モード理論のみが適切になります。ここでは、ゼロ番目のモードが優勢になり始め、より長距離での 2 番目のウィンドウの原因となります。

このゼロ次モードの共鳴波は、主に2回の戻り雷撃の間に流れる雷の継続電流成分によって、地球-電離層導波空洞内で励起される。その波長は地球の円周の整数分数であり、共鳴周波数は、f _m  ≃  mc /(2π a ) ≃ 7.5  m  Hz（m = 1, 2, ...; aは地球の半径、c は光速）で近似的に決定される。基本周波数がf _{1 ≃ 7.5 Hz であるこれらの共鳴モードは、}シューマン共鳴 として知られている。^{[13] [14]}

世界中で毎秒約100回の雷撃が発生しており、主に大陸部の低緯度と中緯度で発生する雷雨によって引き起こされています。 ^{[15] [16]}雷雨の活動を監視するには、雷雲観測装置が適切な手段です。

シューマン共振を世界各地のいくつかの観測所で測定するだけで、地球規模の雷活動をかなり正確に監視することができます。^[14]地球電離層導波管の分散特性を利用して、異なる周波数での地上信号の群速度とその到来方向を測定することができます。低 VLF 帯域における隣接周波数の群時間遅延差は、発生源の距離に正比例します。VLF 波の減衰は西から東への伝播と夜間では小さいため、夜間に西から到着する信号では、約 10,000 km の距離まで雷雨活動を観測できます。それ以外の場合、伝送範囲は 5,000 km 程度です。^[17]

地域範囲（< 1,000 km）の場合、通常の方法は、磁気方向探知と、複数のステーションで同時に観測される地上信号の到着時間測定です。^[18]このような測定の前提は、1つの個々のインパルスに集中していることです。複数のパルスを同時に測定すると、パルスの平均シーケンス時間の逆数に等しいビート周波数で干渉が発生します。

信号対雑音比は、通信システム（無線受信機など）の感度と感度を決定します。アナログ信号が検出可能になるには、ノイズ振幅を明らかに超える必要があります。大気ノイズは、無線信号の検出を制限する最も重要な原因の 1 つです。

雷の経路における定常放電電流は、全周波数範囲で一連の非コヒーレントなインパルスを引き起こし、その振幅は周波数の逆数にほぼ比例して減少する。ELF 範囲では、50 ～ 60 Hz の技術的ノイズ、磁気圏からの自然ノイズなどが支配的である。VLF 範囲では、背景ノイズから R および K ストロークからのコヒーレントなインパルスが現れる。^[19]約 100 kHz を超えると、ノイズ振幅はますます非コヒーレントになる。さらに、電気モーター、自動車の点火システムなどからの技術的ノイズが重畳される。最後に、高周波数帯域 (3～30 MHz) を超えると、地球外ノイズ (銀河起源のノイズ、太陽ノイズ) が支配的になる。^{[2] [3]}

大気騒音は周波数、場所、時間帯、年によって異なります。その騒音の世界的な測定結果はCCIRレポートに記録されています。^{[a] [20]}

• 1955年グレートプレーンズ竜巻発生
• Cluster One は、スフェリックスや夜明けの合唱を序曲として使ったピンク・フロイドの曲です。

• http://www.srh.noaa.gov/oun/wxevents/19550525/stormelectricity.php
• 空間と時間のラジオ - Whistler、Sferics、Tweeks、G.Wiessala、RadioUser 1/2013、英国