Detektor rádiových vĺn veľmi nízkych frekvencií skCUBE

Rádiové vlny veľmi nízkych frekvencií sú elektromagnetickým žiarením s frekvenciou od 3-30 kHz. Jeho zdrojom na nízkej orbite Zeme, kde bude umiestnený aj skCUBE, sú prevažne blesky, nabité častice v magnetosfére Zeme a samozrejme aj ľudská činnosť. Spektrum takéhoto žiarenia závisí od povahy samotného zdroja, pričom ak sa jedná o zdroj v blízkosti povrchu Zeme, jeho rádiový signál musí prejsť do vesmíru zemskou ionosférou. Plazma v ionosfére mení jeho pôvodné vlastnosti. Charakteristika takýchto signálov potom vypovedá o hustote nabitých častíc v ionosfére a prítomnom magnetickom poli. Medzi typické rádiové signály v pásme veľmi nízkych frekvencií patria takzvané hvizdy. Ich zdrojom sú blesky, ktorých rádiové signály podliehajú v ionosfére disperzii. V jej dôsledku sa vyššie frekvencie šíria rýchlejšie a nižsie pomalšie. Hvizd má preto v akustickej podobe zvuk klesavého tónu. Do pásma veľmi nízkych frekvencií zasahuje občas aj typ rádiového signálu s názvom chorus, ktorý vzniká pri geomagnetickom rovníku vo vzdielenosti od 3-10 polomerov Zeme od jej stredu. Typická dĺžka pozorovania chóru na nízkej polárnej dráhe je rádovo desiatky sekúnd. Trvanie hvizdov na nízkej orbite Zeme je typicky iba zlomok sekundy, niekedy aj sekunda až dva. Preto sme navrhli detektor, ktorý je schopný sledovať veľmi dlhé rádiové vlny nielen pomaly, ale keď príde intezívny signál, aj veľmi rýchlo. Jeho základom je cievka bez jadra, vlastný operačný zosilňovač a mikrokontrolér STM32F746. Zaznamenané dáta budú voľne dostupné pre všetkých, ktorý sa o túto problematiku zaujímajú.

 

Úvod

Rádiové vlny veľmi nízkych frekvencií (VLF) majú zákonite veľmi dlhú vlnovú dĺžku, rádovo kilometre. Pre detekciu takého signálu sa preto dá použiť anténa citlivá na magnetickú zložku elektromagnetickej vlny známa ako magnetická slučka, pričom jej rozmer nemusí presiahnuť pár centimetrov. Tento typ antény je spolu s ďalšou prijímacou elektronikou implementovaný aj do skCUBE. Principiálne podobnými detektormi na palubách satelitov sú zariadenia pozostávajúce z cievok s jadrom uložených v troch navzájom kolmých osiach. Nazývame ich anglicky search coil magnetometers a boli umiestnené napríklad na satelitoch DEMETER (Parrot, 2006) a THEMIS. Jednou z ich úloh bolo sledovať rádiové signály, ktorých zdrojom sú elektrické výboje v atmosfére Zeme. Tieto signály sú zaujímavé, pretože odrážajú vlastnosti samotného zdroja a charakteristiku prostredia cez ktoré sa smerom k satelitu šíria.  Zdrojom takýchto elektrických výbojov je búrková činnosť, ktorá spôsobuje nielen klasické blesky ale aj málo známe nadoblačné blesky, takzvané transient luminous events alebo v skratke TLE (pre viac informácii pozri web stránku Stanford VLF group). Detektor rádiových vĺn veľmi nízkych frekvencií na skCUBE by mohol obohatiť poznanie TLE fenoménu napríklad v spojení s projektom Atmosphere-Space Interactions Monitor, skrátene ASIM (Neubert, 2006). Jeho úlohou bude na Medzinárodnej vesmírnej stanici ISS cielene TLE pozorovať kamerami. Jeho začiatok sa plánuje na rok 2017 (ASIM project website), kedy by skCUBE mal štartovať tiež. Blesky ale nie sú jediným zdrojom takýchto rádiových signálov. Medzi ďalšie patrí aj samotná ionosféra a magnetosféra Zeme v dôsledku interakcie nabitých častíc slnečného vetra s jej magnetickým poľom. To vedie k vzniku cyklotrónového a synchrotrónového žiarenia (Ribicky and Lightman, 1979). V neposlednom rade patrí medzi zdroje rádiových vĺn vo vesmíre aj ľudská činnosť. Z povrchu Zeme sa vysiela nepretržite. V pásme veľmi nízkych frekvencií je v súčasnosti po celom svete aktívnych niekoľko desiatok vysielačov (pozri Wikipedia List of VLF transmitters), ktoré budú mať tiež nezanedbateľný vplyv na meranie našeho detektora.

 

Detektor

Našim hlavným vedeckým detektorom je prijímač, ktorý bude detegovať rádiové signály v rozsahu 3 – 30 kHz (pásmo veľmi nízkych frekvencií) a následne ich spracovávať. Skladá sa z detekčnej cievky, ktorú tvorí 1000 závitov s plochou 42 cm2. Signál z cievky sa pomocou operačného zosilňovača zosilní a je privedený na interný AD-prevodník mikrokontroléra STM32F746, ktorý robí následné spracovanie tohto signálu. Priamo na palube sa realizuje digitálna filtrácia signálu, fourierova analýza spektra a detekcia udalostí na základe výkonovej hustoty spektra.

 

Doska plošného spoja detektora

 

Experiment pracuje v 2 módoch. V prvom pomalom móde sa realizuje spektrogram, kde môžeme sledovať priebeh zmeny spektra počas celého obletu satelitu a hľadať prípadne anomálie. Druhý rýchly mód na základe udalosti prekročenia výkonovej hustoty veľmi rýchlo navzorkuje vstupný signál. Takto môžeme analyzovať rádiové signály z bleskov,  ktoré sa dokážu dostať cez ionosféru až k družici na orbite a ktoré nazývame hvizdy (pozri napríklad Helliwell, 1965). Zdroje takýchto hvizdov na nízkej orbite budú búrky, nad ktorými bude satelit prelietať a prídu na jeho detektor zospodu (Santolík et al.,2009). Do úvahy taktiež pripadá aj chorus, rádiové vlnenie, ktoré vzniká pri geomagnetickom rovníku interakciou rádiových vĺn s energetickými elektrónmi vo vzdialenosti od 3-10 polomerov Zeme od jej stredu. Na satelit bude prichádzať zhora na vyšších geomagnetických šírkach okolo 65 stupňov (Santolík et al., 2006, Parrot et al., 2016).

Detektorov veľmi nízkych frekvencií je a bolo vo vesmíre už niekoľko na palubách mnohých vedeckých misií s rôznymi cieľmi (napríklad OGO 1, OGO 3, ISEE, Hawkeye, Wind, IMP 6, IMP 8, FAST, CLUSTER, Firefly).  Náš detektor sa ale skladá z veľmi ľahkej detekčnej cievky bez jadra (26 gramov), ktorá  je napríklad v porovnaní s podobným zariadením (search coil magnetometer)  IMSC satelitu DEMETER [0.5 kg] alebo THEMIS SCM [2 kg] oveľa lahšia. Citlivosť detektoru je na úrovni približne 53 pT, čo zodpovedá minimálnej intenzite magnetickej zložky elektromagnetickej vlny o hodnote 4.2 x 10-5 A/m.

Detekčná cievka je umiestnená vo vnútri družice, teda neobsahuje žiadny vysúvací mechanizmus. Avšak konštrukcia satelitu je nemagnetická, respektíve relatívna permeabilita materiálov je blízka 1. To znamená, že vplyv na detekčnú cievku nie je kritický. Ako príklad pre predstavu môžu poslúžiť magnetické slučkové antény určené na príjem veľmi nízkych frekvencií, ktoré sa bežne tienia elektricky vodivými materiálmi pre potlačenie elektrickej zložky elektromagnetickej vlny. Pre úplnosť, sme si vedomí, že cievka umiestená mimo konštrukcie samotnej družice by mala výhodu hlavne v nižšom rušení od elektroniky, ktorá sa stará o spracovanie signálu. Žiaľ priestorové obmedzenia nám túto možnosť neumožňovali. Preto značná časť vývoja bola venovaná práve eliminácií rušenia počas merania veľmi nízkych frekvencií.

 

Spektrogram s hvizdami zaznamenanými satelitom DEMETER, detektorom ICE (Fiser, 2010)

 

Hvizdy

Hvizdy (anglicky whistlers) sú rádiové signály, ktorých zdrojom sú blesky v atmosfére Zeme a ktoré vznikajú pri prechode zemskou ionosférou. Ich vlastnosti sa dajú približne vysvetliť s pomocou Appletonovej rovnice, ktorá vyjadruje index lomu pre prechod elektromagnetických vĺn cez zmagnetizovanú plazmu (pozri napríklad Davies, 1965). V našom prípade ňou bude zemská ionosféra, ktorá vzniká prevažne pôsobením ultrafialového a rentgenového žiarenia zo Slnka (Davies, 1965). V Appletonovej rovnici sa berie do úvahy iba vplyv voľných elektrónov a pre presnejšie pochopenie hvizdov je treba brať do úvahy aj pôsobenie samotných iónov (Hines, 1957; Kimura, 1966; Bortnik, 2004). Charakteristika hvizdu odráža vlastnosti ionosféry cez ktorú sa jeho zdrojový signál šíri, pričom platí, že vyššie frekvencie prechádzajú rýchlejšie a na detektor vo vesmíre dorazia skôr. Študovať hvizdy teda znamená študovať zemskú ionosféru, čo je v konečnom dôsledku dôležité pre akúkoľvek rádiovú komunikáciu alebo pozičné merania medzi Zemou a satelitmi vo vesmíre.

 

Chorus

Chorus je rádiový signál vyskytujúci sa prevažne v pásme extrémne nízkych frekvencií od 3 Hz do 3 kHz. Pozostáva zo série stúpajúcich alebo klesajúcich tónov typicky oddelených intervalmi o dĺžke niekoľko desatín sekundy až pár sekúnd a ktoré občas zasahujú aj do pásma veľmi nízkych frekvencií nad 3 kHz. Zdrojom chorusu je interakcia rádiových vĺn s energetickými elektrónmi v oblasti geomagnetického rovníka a vzdialenosti približne od 3 až 10 polomerov Zeme od jej stredu (Santolík et al., 2006, Parrot et al., 2016).

 

Spektogram s dvoma frekvenčnými pásmi emisie typu chorus, jedným v pásme pod 1000 Hz a druhým nad 2500 Hz zaznamenanými satelitom DEMETER a detektorom ICE (Parrot, 2016)

 

Záver

Šírenie rádiových signálov vo vesmírnom prostredí ionosféry a magnetosféry Zeme je komplexný problém, ktorý zahŕňa fyziku zmagnetizovanej plazmy a elektromagnetických vĺn (pozri napríklad Stix, 1962). Ich dráhy a vlastnosti sa ale dajú opísať sústavou obyčajných diferenciálnych rovníc prvého rádu (Shawham, 1962 a referencie vo vnútri). Ich tvar vhodný pre numerické simulácie je známy už skoro 60 rokov (pozri napríklad Haselgrove, 1957). Jedným z našich cieĺov je vytvoriť open-source program, ktorý by tieto rovnice dokázal v zjednodušenej forme rýchlo vyriešiť na bežnom PC a tým pádom umožnil získané dáta z skCUBE VLF detektoru priamo interpretovať komukoľvek. Spontánne vytvorenie komunity študentov, vedcov a rádioamatérov v okolí tohto programu by bolo ideálne. Za účelom ďalšieho bádania v tejto oblasti začíname taktiež rozmýšlať o vylepšenom detektore veľmi nízkych frekvencií pre satelit skCUBE 2. Jedným z problémov súčasného detektora je blízkosť internej elektroniky, ktorá šumom ovplyvňuje jeho citlivosť. Jedno z potenciálnych technologických riešení je vysunutie detektora mimo skelet cubesatu.

Autori: Ondrej Závodský, Miroslav Mocák, Rudolf Slošiar, Jakub Kapuš

 

Poďakovanie

Radi by sme sa poďakovali Ondřejovi Santolíkovi a Ivane Kolmašovej z Ústavu fyziky atmosféry Českej akadémie vied za hodnotné komenty a diskusiu ohľadne rôznych aspektov témy opísanej v tomto texte. Chceme sa takisto poďakovať všetkým partnerom, ktorí podporili vývoj a konštrukciu skCUBE uvedených na webstránke www.skcube.sk

 

Referencie

Davies, K. , 1965, Ionospheric radio propagation, NBS Monograph 80. US Government Printing Office, Washington, DC

Helliwell, R. A., 1965, Whistlers and related ionospheric phenomena. Vol. 1. No. 1. Stanford: Stanford University Press

Parrot, M., et al. , 2008, „DEMETER observations of EM emissions related to thunderstorms.“ Space Science Reviews 137.1-4 (2008): 511-519.

Hines, C. O., 1957, „Heavy-ion effects in audio-frequency radio propagation, „Journal of Atmospheric and Terrestrial Physics 11.1 : 36-42.

Kimura, I., 1966, „Effects of ions on whistler‐mode ray tracing.“ Radio Science1.3 (1966): 269-284.

Bortnik, J., 2004, Precipitation of radiation belt electrons by lightning-generated magneto-spherically reflecting whistler waves. Diss. Stanford University

Stix, T. H., 1962,  „The theory of plasma waves.“ The Theory of Plasma Waves, New York: McGraw-Hill, 1962 1 .

Ratcliffe, J. A, 1959,. The magneto-ionic theory and its applications to the ionosphere. University Press, 1959

Shawhan, S. D., 1966,  VLF Ray Tracing in a Model Ionosphere. No. 66-33. IOWA UNIV IOWA CITY DEPT OF PHYSICS AND ASTRONOMY

Haselgrove, J., 1957, „Oblique ray paths in the ionosphere.“ Proceedings of the Physical Society. Section B 70.7: 653.

Parrot, M., et al. 2006, „The magnetic field experiment IMSC and its data processing onboard DEMETER: Scientific objectives, description and first results.“ Planetary and Space Science 54.5 (2006): 441-455.

WLF Stanford group; Terrestrial Luminous Events http://vlf.stanford.edu/research/transient-luminous-events ; Last accessed: 16/06/2016

Neubert, Torsten, et al., 2006, „The atmosphere-space interactions monitor (ASIM) for the international space station.“ ILWS (International Living With a Star) Workshop. 2006.

ASIM (Atmosphere-Space Interactions Monitor) Project website, http://asim.dk, Last accessed” 16/06/2016

Rybicki, George B., and Alan P. Lightman. 1979, Radiative processes in astrophysics. John Wiley & Sons,

List of VLF trasmitters – https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_VLF-transmitters

Fiser, J., et al., 2010, „Whistler intensities above thunderstorms.“ Annales Geophysicae. Vol. 28. No. 1. Copernicus GmbH

Parrot, Michel, Ondřej Santolík, and František Nĕmec. 2016, „Chorus and chorus‐like emissions seen by the ionospheric satellite DEMETER.“ Journal of Geophysical Research: Space Physics 121.4 (2016): 3781-3792.

Santolík, O., et al. , 2006, „Propagation of whistler mode chorus to low altitudes: Spacecraft observations of structured ELF hiss.“ Journal of Geophysical Research: Space Physics 111.A10 .

Santolík, O., M. Parrot, U. S. Inan, D. Buresova, D. A. Gurnett and J. Chum, Propagation of unducted whistlers from their source lightning: a case study, J. Geophys. Res., 114, A03212, doi:10.1029/2008JA013776., 2009.