Studying our global, regional, and local electromagnetic environment with ELF transients  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
115836
Type K
Principal investigator Bór, József
Title in Hungarian Globális, regionális és lokális elektromágneses környezetünk tanulmányozása ELF tranziensek felhasználásával
Title in English Studying our global, regional, and local electromagnetic environment with ELF transients
Keywords in Hungarian extrém alacsony frekvenciás ELF elektromágneses hullámok, tranziens jelenségek, elektromágneses környezet, alsó ionoszféra, anizotróp vezetőképesség, villámlás, zivatarok, klimatológia, felsőlégköri e
Keywords in English extremely low frequency ELF electromagnetic waves, transient phenomena, electromagnetic environment, lower ionosphere, anisotropic conductivity, lightning, thunderstorms, climatology, transient lumino
Discipline
Geophysics, Physics of the Lithosphere, Seizmology (Council of Complex Environmental Sciences)100 %
Ortelius classification: Natural hazards (Geophysics)
Panel Agriculture, Environment, Ecology, Earth Sciences committee chairs
Department or equivalent Geodetic and Geophysical Institute (Research Centre for Astronomy and Earth Sciences)
Participants Novák, Attila
Sátori, Gabriella
Steinbach, Péter
Starting date 2016-01-01
Closing date 2021-03-31
Funding (in million HUF) 19.864
FTE (full time equivalent) 5.79
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Intenzív villámkisülések extrém alacsony frekvencia tartományban (ELF, 3-3000 Hz) megfigyelhető, néhány tizedmásodpercnél rövidebb időtartamú elektromágneses (EM) jel perturbációkat (tranzienseket) is okoznak. A nagy töltésmomentumú villámoktól származó ELF tranziensek a Föld minden pontján észlelhetők, mert csillapításuk csekély. Az ELF tranziensek tulajdonságai tükrözik a forráskisülés árammomentum változását, az észlelőhely környezetében a Föld-ionoszféra hullámvezető határfelületein az EM hullámok terjedését módosító elektromos vezetőképességi viszonyokat, valamint távoli villámok esetén a hullámvezető jelterjedésben érintett részének EM sajátságait. E tulajdonságok révén az ELF tranziensek az EM környezet átfogó megfigyelésében hasznosíthatók. A publikált kutatások azonban az ELF tranziensek csak néhány felhasználási lehetőségére mutatnak rá, az EM környezet ELF tranziensekkel történő szisztematikus vizsgálatára alig van példa.

A pályázott kutatómunka célja, hogy megvizsgálja a nagyszámú ELF tranziens elemzésén alapuló módszerek alkalmazhatóságát
- a Föld-ionoszféra hullámvezető globális EM állapotának megfigyelésében
- a földkéreg szerkezetének megismerésében
- az extrém töltésmomentumú villámkisülések területi és időbeni előfordulási statisztikáinak meghatározásában és
- különböző időskálájú (pl. villámok, illetve a naptevékenység okozta) EM perturbációk jellemzésében az atmoszféra-ionoszféra rendszerben.

Ezeken a kutatási területeken az ismert módszerek alkalmazása mellett az ELF tranziensek felhasználásán alapuló újabb eljárások keresésére is vállalkozunk.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A tervezett kutatás főbb kérdései:

- Mennyire érzékenyek az ELF tranziensekből meghatározható forrás paraméterek a földkéreg vezetőképességi anizotrópia formájában is megnyilvánuló szerkezeti inhomogenitásaira, illetve az alsó ionoszféra aktuális EM állapota hogyan nyilvánul meg az ELF tranziensek terjedési sebességének statisztikai mutatóiban? Mindkét kérdés megválaszolásához felhasználható, hogy a Föld-ionoszféra hullámvezető határfelületeinek vezetőképességi viszonyai közvetlenül befolyásolják az EM hullámok lokális polarizációját és terjedési tulajdonságait, miközben az ELF hullámok a terjedésük során néhány km mélyen behatolnak a földkéregbe, illetve átjárják az ionoszféra diffúz alsó határrétegét.

- Hogyan viszonyulnak a nagy töltésmomentumú villámok alapján meghatározott klimatológiai trendek a többségében átlagos villámkisülések eloszlásából származókhoz? Az intenzív villámkisülések kialakulásához sajátos meteorológiai környezet szükséges, így az ilyen villámok a zivatartevékenység egy specifikus oldalát jellemzik. A kérdés vizsgálható a javasolt kutatás keretein belül, mert a nagy töltésmomentumú villámok éppen ELF tranzienseik révén azonosíthatók.

- Az atmoszféra elektromos eredetű tranziens optikai jelenségeinek mely (alaktani) jellemzőivel áll összefüggésben a forráskisülések ELF tranzienseiből levezethető polaritása és töltésmomentuma? A vörös lidércek különböző morfológiai jegyeinek tekintetében, illetve óriás nyalábok vagy UV felvillanások esetében az ELF hullámok tulajdonságaiban tükröződő fizikai jellemzők köre még tisztázásra vár.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
Az ELF tranziensek felhasználása az atmoszféra és a földkéreg közvetlenül nehezen vizsgálható tartományainak viszonylag egyszerű és költséghatékony tanulmányozását teszi lehetővé. Akár egyetlen ELF mérőállomás is egyszerre szolgáltat a felső földkéreg szerkezetének tekintetében helyi, míg pl. az alsó ionoszféra EM állapotának tekintetében globális információt. Több hasonló állomás adatainak bevonásával az alkalmazott módszerek megbízhatósága ellenőrizhető, a helyi és a globális hatások szétválaszthatók és az eredmények bizonytalansága csökkenthető.

A zivatarok elektromos aktivitása rendkívül érzékeny többek között a légkör hőmérsékletére és vízgőztartalmára is, amely tényezők a globális és regionális éghajlatot is alapvetően meghatározzák. A klímaváltozás indikátoraként is tekinthető zivatartevékenység monitorozásának gazdaságos alternatíváját jelentheti a műholdas, vagy a több állomással működő villámészlelő rendszerek mellett egy intenzív villámokat regisztráló, legfeljebb néhány ELF észlelőállomásból álló hálózat. Ehhez azonban tisztázni kell az ELF tranziensekből és más módszerekből kapható klimatológiai mutatók viszonyát.

A nagy töltésmomentumú villámkisülések jellemző előfordulási területeinek és időszakának meghatározása regionális léptékben is hasznos, hiszen az intenzív felhő-föld villámok felelősek a zivatarok elektromos aktivitásából eredő károk (elektromos berendezések meghibásodása, tűzesetek) túlnyomó többségéért.

Bolygónk energiamérlegének tanulmányozása, illetve az űridőjárás lehetséges földi hatásainak felmérése és kvantitatív jellemzése szempontjából bír fokozott jelentőséggel az atmoszféra különböző rétegei közötti elektrodinamikai csatolási mechanizmusok feltárása. A tervezett kutatások egy része ehhez járul hozzá összefüggések keresésével a villámkisülések által kiváltott emissziók optikai tulajdonságai és ezen emissziók ELF tranziensek segítségével jellemezhető EM környezete között.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Az extrém alacsonyfrekvenciás (ELF, 3-3000 Hz) tranziensek a légköri elektromágneses tér általában néhány tizedmásodperc alatt lecsengő zavarai, amelyeket legtöbbször egy-egy intenzív villámkisülés okoz.

A pályázott kutatás célja ELF tranziensekre alapozott környezetmonitorozó eljárások kidolgozása a földi elektromágneses környezet különböző elemeinek a vizsgálata érdekében.

A különböző zivatargócokból érkező ELF tranziensek elemzésével az ELF hullámok terjedését befolyásoló környezeti tényezők tanulmányozhatók, mint pl. a felső földkéreg elektromos vezetőképességének irányfüggése, vagy a Földet körülvevő ionoszféra alsó határrétegének elektromos állapota. Egyúttal e tartományok szerkezetének vizsgálatára is új módszereket találhatunk.

Az ionoszféra állapotának és az atmoszféra különböző rétegei közötti energiatranszport-folyamatoknak a megismerése bolygónk energiamérlegének tanulmányozása és az űridőjárás lehetséges földi hatásainak felmérése szempontjából fontos. E transzport-folyamatok megismerése többek között a forrásvillám ELF tranziensekből becsült elektromos tulajdonságainak és a kisülés által okozott légköri optikai jelenségek sajátosságainak az összevetésével lehetséges.

Az ELF tranziensek segítségével a legintenzívebb villámok jellemző előfordulási helye és időszaka meghatározható. Regionális léptékben ez az információ segítheti a villámkárok azonosítását, illetve megelőzését, míg az egész Földre vonatkozó eloszlási mintázat változásai a globális éghajlati trendekre utalnak.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Intense lightning flashes also cause electromagnetic (EM) signal perturbations of short (less than a few tenths of a second) duration (transients) in the extremely low frequency range (ELF, 3-3000 Hz). ELF transients produced by lightning discharges with large charge moment change (CMC) can be detected worldwide because they suffer small attenuation. Properties of ELF transients mirror the CMC of the parent electrical discharge, conductivities of the Earth-ionosphere waveguide near the observation site, and EM characteristics of the waveguide along the propagation path of the signal. These features make ELF transients a useful tool in studying our EM environment comprehensively. Published research, however, deals with only a subset of possibilities for utilizing ELF transients in this aspect and only a few studies report on systematic investigations of our EM environment based on ELF transients.

The aim of the proposed research work is to examine the applicability of various methods based on statistical analysis of properties of ELF transients in
- monitoring the global EM state of the Earth-ionosphere waveguide
- exploring the structure of the Earth’s crust
- determining the spatial and temporal distribution of lightning strokes of high CMC, and in
- characterizing EM perturbations of different time scales occurring in the atmosphere-ionosphere system (e.g., due to lightning or due to solar activity).

In addition to applying known procedures to achieve these goals we also seeking novel methods based on utilization of ELF transients, for studying our EM environment.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
Main questions of planned research:

- How sensitive are source parameters determined from ELF transients to structural inhomogeneities manifest in anisotropic conductivities in the Earth’s crust, and how the actual EM state of the lower ionosphere is mirrored in statistics of propagation speeds of ELF transients? In answering these questions it can be utilized that conductivities in the boundary layers of the Earth-ionoshere waveguide directly determine local polarization and propagation characteristics of EM waves as ELF waves penetrate into the lower ionosphere and also a few kilometers depth into the Earth’s crust.

- How are climatological trends deduced from the distribution of lightning strokes of high charge moment change (CMC) are related to climatological trends mirrored by general lightning activity? Intense lightning strokes with high CMC may occur only under characteristic conditions so such discharges refer to a specific state of a thunderstorm. The question can be answered in the framework of the proposed research program because lightning strokes of large CMC can be identified by their ELF band radiation.

- Which (morphological) characteristics of transient luminous events are connected with the polarity and CMC of the source lightning discharge? The set of morphological properties of red sprites as well as the circle of physical properties of source processes in gigantic jets and in terrestrial UV bursts mirrored by the properties of ELF transients are yet to be identified.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
Some regions of the atmosphere and of the Earth’s crust which are difficult to study by direct observations can be investigated relatively easily and economically by using ELF transients. ELF measurements even from a single location can provide information both on the local structure of the upper section of the Earth’s crust and on the global electromagnetic (EM) state of the lower ionosphere. By using observations from more ELF stations, consistency of the obtained results can be verified, the contribution of local and global factors can be separated, and the uncertainty of the results can be reduced.

The electrical activity of thunderstorms is very sensitive to parameters of the atmosphere (e.g., temperature and humidity) which fundamentally determine the global as well as regional climate. An economic alternative to monitoring thunderstorm activity (i.e., an indicator of the global climate change) by satellites or by multi-station ground-based lightning detection networks can be a detection network consisting of only a few ELF stations where ELF transients are recorded. Prior to using such a network, however, the relation of results from studies based on ELF transients and on other datasets must be clarified.

Finding hot spots of occurrences of lightning strokes of high charge moment change is useful also in regional scale because intense cloud-to-ground lightning flashes are responsible for the majority of damag associated with electric activity in thunderstorms (e.g., electric damage, forest fires).

Studying the mechanisms of EM coupling between different layers of the atmosphere is important from the point of view of examining the energy balance of the Earth and characterizing the effects of space weather on human activities. The proposed research contributes to the investigation of these topics by exploring the relations between optical properties of lightning-induced transient luminous events (TLEs) occurring in the mesosphere and the EM environment of these TLEs which can be inferred from the properties of the associated ELF transients.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Extremely low frequency (ELF, 3-3000 Hz) transients are short duration (of few tenths of seconds) disturbances of the atmospheric electromagnetic (EM) field caused dominantly by intense lightning flashes.

The purpose of the proposed research is to establish methods based on the detection of ELF transients for monitoring different constituents of our EM environment.

EM factors of our environment such as directional dependence of the electrical conductivity in the Earth’s crust or the EM state of the lower boundary layer of the ionosphere can be studied by ELF transients arriving from thunderstorms all around the Earth. At the same time, new methods based on the analysis of ELF transients can be developed, too, for exploring the structure of these regions.

Understanding energy transport processes between different layers of the atmosphere and monitoring the EM state of the ionosphere is important from the point of view of keeping track of the energy balance of our planet and predicting the effects of space weather on human activity. Information on energy transport processes in the atmosphere can be gained also from comparing the properties of lightning flashes found from the analysis of ELF transients to properties of atmospheric optical phenomena caused by these lightning flashes.

By analyzing ELF transients, it also possible to find those seasons and regions in which the most powerful lightning flashes tend to occur. In regional scale, this information can help identify or anticipate damages from lightning strokes. The variation of the distribution of intense lightning strokes worldwide, on the other hand, mirrors trends of the changing global climate.



Back »