Грозовые явления при Е-Спорадическом распространении на 144 МГц

4 Проект анализа грозы

4.1 Проектная группа

Проект анализа грозы был начат ранее в 2004-ом и включает шесть членов группы: Кремер, DL1DBC, развивает и использует инструменты программного обеспечения анализа данных и сбора информации, сохраняет базу данных и управляет контактами с коммерческими погодными информационными службами обеспечивает фактические данные по атмосферикам. Лангенол, DK5YA, вносит спорадические E наблюдения следуя его европейским спорадическим E итоговым отчетам [60] и он организовывает доступ к архиву погодной информации. Мантерс, PE1NWL, использует интернет сервис DXrobot [61], то есть он может получить доступ к самой последней Е спорадической информации, сообщенной радиолюбителями. Соединение между его компьютерной системой обмена данными и Кремер происходит мгновенно, см. ниже. Сэмпол, EA6VQ, вносит его опыты в анализ Е спорадика на 144 МГц открывает и предоставляет данные и результаты, дающие начало его исследованиям [62]. Крафт, DL8HCZ, редактор журналов Dubus и Funktelegramm, анализирует радиолюбительские статьи относящиеся к этому проекту и детально исследует наблюдения радиолюбителей, которые должны быть проанализированы более подробно. Гроссман, DF5AI, сообщает самые последние сведения о состоянии проекта на сайте Amateur Radio Propagation Studies [58] и управляет контактами с научным сообществом.

4.2 Сбор данных и анализ

4.2.1 Общий краткий обзор

Проект приносит пользу существующей инфраструктуре в метеорологическом сообществе и в любительском радио, оказывая услуги предупреждения и анализа см. рис. 4.1. Из-за высокой географической плотности УКВ радиостанций в Европе, радиолюбители едва-ли удачно могут обнаруживать по крайней мере большинство Е спорадических событий на 144 МГц в европейском секторе.

Таким образом, сообщество радиолюбителей (оранжевый прямоугольник) предоставляет необработанные данные, загружая DX информацией сетевую DX группу OH9W/OH2AQ и предоставляя информацию из аппаратных журналов, например, DK5YA sporadic E summary service в Интернете [60] (желтый прямоугольник). Информация DX группы постоянно сканируется сервисом PE1NWL DXrobot [61], который распределяет DX предупреждения по адресам электронной почты, мобильным телефонам и пэйджерам (зеленый прямоугольник). Эта служба запускает программное обеспечение DL1DBC Поисковик атмосфериков, которое теперь загружает фактические Е спорадические и данные по атмосферикам(розовый прямоугольник) из Интернета. Таким образом, вся существенная информация концентрируется в вычислительной системе DL1DBC которая в конечном счёте запускает анализ данных и программу графической обработки (красный прямоугольник).

4.2.2 Данные по атмосферикам

Все данные по атмосферикам могут быть найдены в соответствующих интернет источниках, которые в основном отражают строго по графику данные переходных процессов природы в порядке их поступления для анализа. Исправление данных поддерживается программным обеспечением TCP клиента, которое запускается службой DXrobot PE1NWL’s [61]. DXrobot включает два модуля, то есть на входе TCP клиент ищущий образцы данных в DX группе OH9W/OH2AQ [56], который мог бы указать фактическое DX спорадическое E и, с другой стороны, систему оповещения, которая адресует предупреждения радиолюбителям, подписанным на список рассылки DXROBOT. Мантерс также ввел таблицу состояния, обозначающую условия распространения спокойно, высокая МПЧ (то есть высокая максимально применимая частота) и предупреждение, E-скачёк , соответственно. В течение так называемого режима бездействия, программное обеспечение Кремер, Поисковик атмосфериков читает таблицу DXrobot состояния каждые 15 минут. В случае предупреждения о высокой МПЧ, программное обеспечение поисковика атмосфериков обращается к таблице состояния DXROBOT каждые пять минут. Если получено предупреждение о Е-скачке, то программное обеспечение активизирует его индивидуальное состояние предупреждения, которое далее передаётся службам погоды Интернет, чтобы передать фактические данные по атмосферикам в локальную SQL базу данных. DXrobot также ограничивает состояние предупреждения Поисковика атмосфериков, указывая конец фактического открытия диапазона,что возвращает программное обеспечение Поисковика атмосфериков в режим бездействия. Программное обеспечение Поисковика атмосфериков и все другие инструменты написаны на языке программирования Perl и работают в среде сервера LINUX.

Данные по атмосферикам распространяются различными погодными службами в Интернете, смотрите, например, Wetterzentrale [51] и WetterOnline [50], которые собирают и анализируют данные радио наблюдений, например, из European Cooperation for Lightning Detection (EUCLID) [53], из Blitz Informationsdienst von Siemens (BLIDS) [52] или, альтернативно, из британской Tornado and Storm Research Organisation (TORRO) [54], исследования которой поддерживаются частными лицами используя данные из ATD system , управляемой UK Met Office [55]. Служба BLIDS, например, использует шестьдесят низкочастотных радио датчиков в Германии, Швейцарии, Франции и граничных странах, британская служба использует датчики в Корнуолле, на Шетландских островах и в местах за границей таких как Исландия, Финляндия, полярное побережье Немецкого моря, Гибралтар и Кипр, соответственно. British Met Office определяет географическую точность, приблизительно пятью километрами по Великобритании и между 20 и 100 километрами в остальной Европе. Перед использованием атмосферной информации из Интернета, важно тщательно исследовать индивидуальные данные службы. Служба Wetterzentrale, например, предоставляет данные только в течение одной половины каждого часа, что значительно влияет на исследование данных .

4.2.3 Автоматические системы поиска данных

Все данные по атмосферикам могут быть найдены в соответствующих интернет источниках, которые в основном отражают строго по графику данные переходных процессов природы в порядке их поступления для анализа. Исправление данных поддерживается программным обеспечением TCP клиента, которое запускается службой DXrobot PE1NWL’s [61]. DXrobot включает два модуля, то есть на входе TCP клиент ищущий образцы данных в DX группе OH9W/OH2AQ [56], который мог бы указать фактическое DX спорадическое E и, с другой стороны, систему оповещения, которая адресует предупреждения радиолюбителям, подписанным на список рассылки DXROBOT. Мантерс также ввел таблицу состояния, обозначающую условия распространения спокойно, высокая МПЧ (то есть высокая максимально применимая частота) и предупреждение, E-скачёк  , соответственно. В течение так называемого режима бездействия, программное обеспечение Кремер,  Поисковик атмосфериков читает таблицу DXrobot состояния каждые 15 минут. В случае предупреждения о высокой  МПЧ, программное обеспечение поисковика атмосфериков обращается к таблице состояния DXROBOT  каждые пять минут. Если получено предупреждение о Е-скачке, то программное обеспечение активизирует его индивидуальное состояние предупреждения, которое далее передаётся  службам погоды Интернет, чтобы передать фактические данные по атмосферикам в локальную SQL базу данных. DXrobot также ограничивает состояние предупреждения Поисковика атмосфериков, указывая конец фактического открытия диапазона,что возвращает программное обеспечение Поисковика атмосфериков в режим бездействия. Программное обеспечение Поисковика атмосфериков и все другие инструменты написаны на языке программирования Perl и работают в среде сервера LINUX.

4.2.4 DX Спорадическая-E информация

Члены команды, Лангенол (DK5YA) и Сэмполо (EA6VQ) они оба используют вебсайты которые собирают и анализируют УКВ DX информацию от радиолюбителей за многие годы (см. [60] и [62], соответственно). Их данные использовались в наших исследованиях при анализе DX QSOs на 144 МГц в Е спорадическом сезоне 2004. Все данные взяты из европейского сообщества УКВ радиолюбителей которое представлено большим количеством радио операторов, представляющих фактические отчеты, наблюдения, загружая выписки из аппаратных журналов и DX сводки.

Однако, радиолюбительские аппаратные журналы представляют большое разнообразие форматов данных, то есть DX информация не может быть загружена в базу данных без значительного количества предварительной обработки данных. чтобы опознать, например, позывной, информацию о времени UTC, географические координаты (то есть. QTH локаторы), оценку сигнала и другие виды информации. Поэтому Кремер разработала скрипт на языке Perl, который может, читать более чем 97 процентов DX информации автоматически, то есть только менее трёх процентов требует физического редактирования. Без этого инструмента программного обеспечения, мы не были бы в состоянии управлять нашими исследованиями рационально распоряжаясь временем из-за большого количества DX информации которую надо проанализировать.

4.2.5 Текущие инструменты анализа данных

На фазе настройки проекта, мы сосредоточились на географических исследованиях, используя карты распростанения атмосфериков опубликованные в Интернете (мы в частонсти, использовали материал от службы WetterOnline [50]). Заметьте, что интернет ресурсы не предоставляют числовую информацию относительно географического положения атмосфериков, то есть карты должны использоваться, "как они есть”, что значительно ограничивает нашу гибкость в графической визуализации . Были средние точки вышеупомянутого E спорадического QSOs, поэтому на картах отображены исходные данные атмосфериков. Мы однако планируем реализовать намного более широкий спектр инструментов анализа в будущем, один из этих инструментов, обсуждается в главе 4.5.

Коллегам радиолюбителям, желающим осуществлять их собственные исследования данных советуем тщательно исследовать интернет карты, потому что большинство погодных интернет служб не предоставляет достаточной информации относительно фактической картографической проекции. Программы вычисления и програмный код может быть найден в различных интернет ресурсах, смотрите, например, [18] и [57]. Мы в частности считаем General Mapping Tools[45] очень полезными, которые распространяются Уэселом и Смитом, университет Гавайи, согласно Публичной лицензии (см. [45] и процитированные там ссылки.)

4.4 Первые результаты, полученные в течение спорадического E сезона 2004

В Мае/Июне, 2004, схема заработала, но, к сожалению, безуспешно, DX спорадических E событий в течение 2004 было не много. Однако, мы нашли пример Е спорадической активности которая действительно привлекает наше внимание в пределах этой статьи, то есть открытие спорадического E 27 июня, 2004.

Рис. 4.2. 27 июня 2004 открытие спорадического E. Вертикальные линии обозначают число двусторонних DX QSOs в течение 15 минут (левая шкала), линия обозначает набранное число QSOs в течение дня, равая шкала).

Рис. 4.2 Отображает распространение на 144 МГц DX QSOs в течение того дня, указывая различные фазы Е спорадической активности между 08 и 17 UTC. Вычисляя географический центр соответствующий DX QSOs, мы можем определить расположение фактического объема отражения в E области ионосферы, см. рис. 4.3. В ранние часы (то есть между 08 и 09 UTC), центры прямого спорадического E отражения все были расположены в широкой области в Адриатическом море (зелёный), которая затем переместилась к северной Италии (желтый). Днем, географическое распределение положений спорадических E демонстрирует замечательное явление, то есть зона активности распределилась более чем на 1.500 километров от южной Франции до восточной Германии (красный, фиолетовый) в пределах коридора 200-400 километровой ширины.

Что касается данных по атмосферикам, распространяемых службой Wetteronline [50], мы нашли небольшую активность атмосфериков в центральной Европе между 08 и 12 UTC. Не было грозовой активности особенно в расположенной близко к зеленой и желтой области отражения, то есть это начало спорадического E - определенно не связано с любыми грозовыми явлениями.

Однако, начиная с 12.30 UTC активность атмосферика постоянно увеличивалось и некоторые области показывают более чем 60 событий за 30 минут между 16 и 17 UTC (отдельное пятно в центральной Франции даже выделяет больше чем 80 атмосфериков за 30min, что указывает на серьезную грозовую активность). Удивительно, все эти события более или менее совершенно ровно распределены по красному цвету и фиолетовой зоне спорадической Е активности , см., что рис. 4.4 (читатели могут посетить вэб страницу Кремер[59] которая предоставляет анимированную последовательность этого сценария).

Мы отказываемся констатировать это явление, как свидетельство спорадического E распространения на 144 МГц созданного грозами, потому что мы не можем исключить случайное возникновение атмосфериков и спорадической E активности в этом примере (фактически, центрально европейские грозы действительночасто в летнем периоде, кажется, распределены ровно от юго-запада и почти до северо-востока ). Однако, мы рассматриваем это поразительное явление, как мотивирующее дальнейшие исследования по этой теме.

Рис.4.3 Средние точки QSO показывающие географическое положение спорадика Е, 27 июня 2004.г Цветовые коды аналогичны рис.4.2, т.е красный и розовый, положения относящиеся к dx QSO между 12.30 и 15.30 UTC

Рис.4.4 Географическое распределение атмосфериков наблюдавшихся 27 июня 2004.г в 0900-12.30 UTC (слева) и 12.30-17.00 (справа). Цветовой код обзначает число атмосфериков за 30 минут. Оригинальные данные из [50], обработка данных из [59].

4.5 Дальнейшие шаги в анализе данных

Географические представления, подобные рис. 4.3 и рис. 4.4 могут предоставить информацию относительно детальной информации относительно атмосфериков и спорадических E событий, но не может подкрепить статистические исследования, имеющих дело с долгого временными сериями результатов из длительных наблюдений. Например: анализируя все спорадические E события между, примерно 1990 и 2004, наложились бы множества точек данных и наконец перегрузили отображаемую карту, уничтожая все явления систематизированные на графике. Даже если влияние грозы на 144 на спорадик E можно считать реальным явлением, то сомнение продолжит существовать когда изучаются только индивидуальные события, то есть есть потребность использовать статистические методы в наших исследованиях.

Поэтому Рис. 4.5 предлагает переменный подход при анализе спорадического E и явлений атмосфериков: вычисляя фактическую разницу во времени

и фактическое расстояние d между всеми атмосфериками и всеми спорадическими E событиями, преобразование получается замещением всех абсолютных данных (то есть географических координат и информации UTC) относительными данными (то есть разницей во времени и расстоянием). Если число явлений атмосфериков - N, и число спорадических событий - М, то новый набор данных будет включать всего N времён, записей данных М. С этим преобразованием, все предоставленные данные могут быть отображены в только одной диаграмме, смотрите рис. 4.6, то есть мы получаем легкий, но мощный инструмент для анализа пространственно-временной корреляции между спорадическим E и явлениями атмосфериков.

Рис.4.5. Данные устанавливающие индикацию разницы во времени и географическое расстояние между всеми атмосфериками и всеми спорадическими E событиями.

Если, данные атмосфериков и Е спорадические не показали бы никакой пространственно-временной корреляции вообще, процедура выше будет равномерным распределением точек данных (графический шум) подобно табличке на рис. 4.6. Любая существующая корреляция будет однако некоторым видом накопления точек данных, как показано вымышленными примерами на следующих табличках.

Табличка b, например, показывает вымышленные данные, указывающие положения спорадических E близко к положениям атмосфериков хотя и связанных с переменной задержкой. Такой сценарий указал бы на гравитационные волны распространяющиеся в вертикальном направлении с переменной скоростью. Табличка С показывает вымышленный пример гравитационных волн, распространяющихся с постоянной скоростью в вертикальном и также в горизонтальном направлении, то есть спорадический E и явления атмосфериков показывают пропорциональную временную задержку по расстоянию между отдельной грозой и расположением отражений в E области ионосферы. Табличка d, на другой стороне, показывает вымышленный сценарий, в котором спорадическая E активность происходит более или менее одновременно в непосредственной близости от активности атмосферика (что хотя является маловероятным сценарием). Следовательно этот тип графического представления может раскрыть пространственно-временную корреляцию между спорадическим E и явлением атмосферика и если очевидная корреляция была бы действительно очевидной, то можно также получить ценную информацию относительно горизонтального и вертикального распространения характеристик гравитационых волн.

Рис. 4.6. Диаграммы отображающие относительную разницу во времени и расстоянием между атмосфериками и спорадическими E явлениями. Графики показывают вымышленные данные, см. текст.

Мы не можем предсказать, какая модель может ожидаться при использовании реальных данных, но мы можем спекулировать на разницах во времени и расстояниях, которые нужно рассмотреть при этом типе анализа. Рассматривая корреляцию между возникновением TID в области F ионосферы и активностью тропических дождевых осадков, о котором сообщает Роттгер ([6], см. также главу 3.2), смещение явлений спорадических E относительно явлений атмосфериков будут только несколько сотен километров, вероятно немного меньше чем 100 километров. Это предположение следует из выполненных измерений TID распространенных на юге перуанских тропических лесов (см. рисунок 8 в [6]) и рассмотрения разности высоты между F и E областью (принимая, что гравитационные волны в тропиках и в середних широтах распространяются с идентичным углом места относительно поверхности Земли). Поскольку корреляция между возникновением TID и активностью дождевых осадков также показывает запаздывание приблизительно три часа [6] (являющейся интерпретацией периода времени, в который гравитационные волны распространяются от верхней тропосферы в область F ионосферы), мы можем также заключить, что спорадический E и явление атмосферика покажет запаздывание приблизительно около одного часа или около этого.

Хотя мы действительно провели этот тип анализа практически, к сожалению мы не можем представить результаты в ближайшем будущем. Серьезное практическое осложнение следует из факта, что мы в настоящее время не можем получить доступ ни к численным географическим координатам, ни времени появления индивидуальных событий атмосфериков, потому что этот тип данных не доступен в Интернет ресурсах, которые вместо этого предоставляют только итоговые графики . Мы поэтому планируем просить о прямом сотрудничестве обсерватории атмосфериков, чтобы получить доступ к необработанным данным, необходимым в этом типе исследований.