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大自然超長波無線電的奧秘

No.22   1994 Oct.   p76~83,   by 林茂榮 /BV5OC



如果大自然讓人類耳朵的結構,可以聽到電磁波,而不單只是聲波,就算可聽到的電 磁波頻率範圍不變,大約在 20Hz~20KHz 左右,我們的耳朵所聽到的,將會是那種局 面?很顯然地,絕對不會太寂靜的,光是從大自然產生的超長波中,至少就有合聲、 噓聲、嗡聲及口哨聲等,還有一些外來的人為訊號......


大自然的節奏 -- 合聲、噓聲、嗡聲、口哨聲

    下表這些都是什麼樣的聲音呢?它們是怎樣產生的?來自何處?要回答這一連串的問 題,就要歸結到大自然產生的超長波。

    這大自然產生的電磁波頻率,與人類耳朵可以聽到的聲音頻率範圍一樣,但是,人類 耳朵不能直接聽到電磁波,因為,電磁波是以光速傳遞的,而不是以聲波速度傳遞, 兩者特性不一樣。換句話說人類耳朵可以聽到 10KHz 的聲波但是不能聽到 10KHz 的 電磁波。若要聽到這 10KHz 超長波訊號,就要和收聽一般無線電廣播一樣,須要利 用超長波接收機來接收。

    文末,我們將有一個超長波接收機的製作。

合聲 CHORUS 在超長波範圍內的自然磁電現象,有人懷疑除因地球發生的雷電外,也可能導因於外 天體。由於其聲似黎明之鳥叫,因此又被稱為「黎明合聲」,通常這種合聲是由多重 的升音組合而成,每一音色的頻率從 1.2KHz 到 3.4KHz,而且,時間通常維持 0.1 到 0.5 秒。
噓聲 HISS 就像它的名稱一樣,由齒音延長所產生的亂步雜音,就是噓聲,這頻率在聲頻範圍內 。通常可由連續的超長波產生。利用音電圖 (SONOGRAMS) 分析得知,噓聲的頻率約 分佈在 2~30KHz。通常當南北極出現極光時,很容易出現「噓聲」。
嗡聲 TWEEKS 一般相信,嗡聲是因地表層所造成的,超長波在地表與電離層所構成的導波管中,來 回旅行,而成為嗡聲。這聲音聽來就是一種很純的音調,活像由樂器產生的單音。由 許多的嗡聲,可能組合成「咻」聲,它像是劃空而過的子彈聲。
哨聲 WHISTLE 超長波產生的口哨聲,很容易在夜晚及清晨之前這段期間聽到。而在中緯度地區 (40~55°)比較容易出現口哨聲。



超長波分段

    這些聲音連同一些複雜的干擾,一起存在地球的大氣層裡。實際上,它們的源頭是, 由打雷、閃電、以及太陽光能量對地球大氣的充電,所造成的,這些超長波訊號的頻 率,大多集中於幾 Hz 到幾百 KHz 之間。這段範圍的頻率,我們習慣上,將它分成 三段,如下表所示:

超長波名稱 縮寫 頻率範圍 波長(KM)
極低頻 (Extremely Low Frequency) ELF 3Hz~3KHz 100,000~100
超低頻 (Very Low Frequency) VLF 3KHz~30KHz 100~10
低頻 (Low Frequency) LF 30KHz~300KHz 10~1

    大多數地球大氣層內的雷電所產生的超長波,頻率是集中在 5KHz,也就是超低頻 (VLF)。


電離層與超長波

    高頻,也就是俗稱的短波,就是藉著地球上空的電離層折射,才能做遠距離通訊的。

    地球上最低的電離層是 D 層,離地表平均大約 80 公里高,這高度相當於 20 公尺 波段訊號的 4000 倍波長。但是對超長波來說,這高度只有花幾倍波長到一個波長不 到的距離;例如,對於 5KHz 訊號而言,它的波長約 60 公里,這幾乎可以利用 D 電離層和地表,形成這訊號的一個導波管。

    有了這樣的認識之後,你也許會認為,波長這麼長的超長波訊號,所能傳送的距離, 一定不很遠,至少以傳統的電波傳導理論來看,的確如此。但是,從以前許多的觀察 及實驗卻發現,超長波可以旅行很遠很遠,實際上,超長波可以從地球的一邊跑到對 稱的另一邊,甚至來回跑了好幾趟!


磁動層與超長波

    我們說高頻訊號從發射到接收之間,可能超過幾千公里。而超長波若發生長距離傳導 ,超長波旅行的距離,從打雷處,也就是電波發射地,到接收的地力,可以超過幾十 萬公里。

    而造成超長波遠距離旅行的傳導模式,並非是以往高頻所談的電離層,而是所謂磁動 層 (MAGNETOSPHERE;在大氣層以上,主要由氦氣所組成的 1500 公里厚的帶狀區) 。行星上 (當然包括地球) 的磁動層,類似磁鐵的雙極。但是它的電流是流經離地幾 千公里的電槳 (PLASMAS) 區。這電流就有點類似磁鐵貼著紙面下,而紙面上鐵粉所 產生的馬蹄型分佈。也就是說,這磁動層是因為太陽風吹到地表,及地球以其軸心自 轉所形成的。


人自然超長波與人造超長波

    目前地球上,除了大自然外,超長波也有人為產生的,比如美國海軍的潛艇通訊,航 海及航空導航用的 OMEGA 訊號。這些人為的超長波訊號,頻率大都是在 10KHz 到 40KHz 之間。這些隨時可以掌握的超長波,若配合大自然產生的超長波,兩者結合, 有助於了解超長波的傳導特性。

    從事大自然的超長波研究,可以得到相當豐富的資訊,所以,目前許多相關的研究正 展開中,包括有,超長波的傳導研究、電離層及磁動層電子密度的探討、及某些特殊 地方,由雷電所產生的超長波。


Fig 1
圖 1:超長波產生口哨的理論

超長波產生口哨聲的理論

    大自然超長波口哨聲訊號,聽來不但有趣,它也含有豐富的奧妙資訊;基本上,超長 波口哨聲,也是由雷電所產生的。

    一般來說,打雷所產生的電波,可以分成兩個事件進行:一個是生命周期比較短的電 波,它由打雷處產生後,藉由地表 -- 電離層間,所形成的的導波管,傳送開來,這 一般被稱為「大氣無線電波」 (ATMOSPHERICS)。第二個事件就是所謂的口哨聲無線 電波,大自然超長波在大氣層內,由雷電產生後,直破電離層,抵達磁動層 (MAGNETOSPHERE),然後隨著地球磁場,進入相當窄的磁導層,到了地球另一面之後 ,這超長波又穿過電離層,再回到地表 -- 電離層間形成的的導波管內,再傳散開來 ,請參看圖 1。
Fig 2
圖 2:打雷產生超長波,造成大氣無線電波,最後形成超長波口哨聲。

    像上述這樣的傳導行程,叫做「單程」 (ONE-HOP) 口哨聲超長波,你可以發現它比 大氣無線電波被延遲的時間,長了許多。而所謂的「雙程」 (TWO-HOP) 口哨聲,就 是指這超長波來回磁動層兩次,進到大氣層後,再傳開來。而在大氣層下,這種一來 一回的傳導,可以進行很多次,有時甚至可以達到幾百次。超長波口哨聲的長短,就 出雷電發生大氣無線電波的地方,及接收到時的跳躍次數來決定,請參看圖 2。

    把口哨聲超長波,引導到地球另一對面大氣層內的導管,通常是在大氣層與地磁的介 面交接處。所以,北半球的口哨聲超長波傳到南半球時,會在對稱的位置,返回大氣 層。而由於磁動層導管傳遞的超長波,從物理特性可以得知,經過了幾千公里之後, 在同一地點,頻率比較高的訊號,會先到;而頻率比較低的訊號,會稍後再抵達。所 以,跳躍程數越多,頻率高低在時間上分開越厲害,這很像一部大自然的頻譜分析儀 。若是能精確地分析這頻率的擴散情況,便可以清礎的知道,口哨聲超長波的傳導路 徑,以及口哨聲的頻譜結構。所以,除了可以享受到監聽口哨聲外,還可以瞭解到電 離層及磁動層的成份,包括它們的電子及離子密度、電子溫度等。


口哨聲超長波實驗

    要研究超長波口哨聲現象,最重要的是,要能夠同時相距數百公里,甚至上千公里約 兩地,同時記錄下超長波的口哨聲現象。這樣,就可以把兩遠地所記錄下來的口哨聲 ,做音電圖的比較及分析。例如,單程的口哨聲超長波,必須至少兩次穿過電離層, 在一地穿過電離層後,而在另一地由磁動層折返,並穿過電離層而進入到大氣層來。

    在兩相距頗遠的地方所記錄下來的同一超長波口哨聲,經由頻譜分析比較,可以得到 波形的變化結果。其中,最容易了解,也最引人注意的是,假如比較這些記錄下來的 口哨聲頻譜,會發現某個頻率成份不見了,可能是因為超長波從電離層出口離開時, 某些頻率被衰減或吸收掉了。
Fig 3
圖 3:超長波口哨聲監聽及分析系統

    從這頻譜上找出那些頻率成份不見了,可以判斷出,是那一個電離層,D、E、或 F 層,把這頻率吸收走了。又例如,若是這口哨聲超長波穿過灰色帶 (GRAY ZONE,白 天與黑夜交叉區) 上空的 D 電離層,我們就可以透過超長波來瞭解該電離層當時的 電子及離子密度。

    通常,D 電離層在白天才存在。圖 3 所示,是超長波口哨聲監聽及分析系統。基本 的組合包括:超長波接收機、接收天線、精確參考時間、及一部立體聲錄音機或錄放 影機。其中立體聲的左右聲帶,分別存錄監聽到的口哨聲及參考時間。這參考時間是 為了兩相距很遠地方,所做的監聽記錄要分析時,可以有個依據。時間可以直接取用 標準時間發播台的訊號。超長波接收機可以自製,而分析系統也不難,利用個人電腦 及聲霸卡與適用的軟體,就可以了。


聽人自然以無線電波吹口哨

    你對聽來聽去的無線電廣播或通訊沒有新鮮感了嗎?對於業餘無線電玩家,或是對無 線電有興趣的你來說,160 公尺波段是不是無線電波頻率的底限了呢? 下面我們要來 探討,真正是無線電波底限的 100Hz 到 10KHz 的無線電波。地球上是有這些電波存 在的,最典型的要算是航海的導航無線電波;有些是軍事用潛水艇通訊;而打雷閃電 產生的電波也有在這個頻率範圍。

    但是,不論這無線電波是人為產生的,或是大自然的產物,我們真正感興趣的,倒不 是通訊內容,而是頻率這麼低,它的無線電波傳導情況如何。假如我們剛剛提到的 100Hz 到 10KHz 的無線電波,以 5KHz 為中心頻率的話,那麼它的波長可達 60 公 里。

    令我印象深刻的是 1992 年的太空梭任務中,一項名為 INSPIRE (Interactive NASA Space Physics Ionosphere Experiments) 的試驗。目的是希望能夠收集並整理出一 些有關超長波 (VLF) 的電波傳導。當年三月,太空梭在飛行中,發出一超長波訊號 ,讓地球上各角落的愛好者接收,收聽報告匯集之後,可望分析出有關超長波的傳導 結論。當時參與這活動的,主要是美國各國中、高中,總數超過一萬個接收處。


超長波簡史

    事情回溯到第一次世界大戰的歐洲,當時戰區前線都以電話為主要通訊,很快地,真 空管出現了,可以做放大倍數很高的線路也出現了。當時彼此都以兩相距很遠的地桿 的拾取,想要接收這訊號,來截聽敵方的電話通訊。雖然當時的電子技藝還剛起步, 但這方法依然奏效,唯有時頭戴的耳機會傳出一些奇怪的音調,就好像是一種由錯覺 產生的聲音。

    德國科學家 H. Barkhausen 受命負責處理這種干擾,他雖沒能成功,但是這也引起 他對這現象的興趣。所以他及一些志同道合的研究人員,抽絲剝繭,慢慢研究,直到 1920 年底,大家一致相信,這訊號應起因於打雷閃電。 二、三十年後,1950年代,這種 因閃電所產生的口哨聲,才有人 提出了合理的機轉解釋。

    研究人員發現,閃電是一種極大規模的火花放電,它可以同時產生廣範圍頻譜的無線 電波,頻率可以低到幾百 Hz,高到幾 MHz。後來發現,雖然頻譜很廣,但是很大部 份的能量,都集中在 20KHz 以下,也就是都在超長波範園內。


超長波穿過電離層

    由地表與較低電離層所構成的環境空間,對出閃電所產生的超長波而言,有如一效率 極高的導波管。所以,超長波可以在地球擴展開來,大部份你聽到的超長波聲音,很 像是你在 AM 接收機聽到的雷電雜音一樣,是短促而像劃火柴一樣。仔細傾聽,有時 會出現像是子彈畫空而過的「咻」聲,或是短促的口哨聲,聽來很像是一段短節奏的 音樂聲。

    當然,今天對這種現象的機轉已經能充份掌握。無線電波行經一非完全真空的介質時 ,它會以稀疏狀散開,也就是說,頻率比較高的訊號,會比頻率比較低的訊號,跑得 稍快些。打雷閃電時,發出的無線電訊號是同一瞬間產生的,但是在地表與較低電離 層所構成的導波管中,低頻率成份便產生了像子彈劃空而過的「咻」聲。精確地記錄 這種擴散聲,可以算出這超長波所傳導的距離。

    早期最困擾的事是,無法在地球內找到夠大的路徑,來解釋使超長波會產生如吹口哨 一樣的長「咻」聲的現象。

    直到最近,以最新的科技,包括分析頻譜的方式,來研究這超長波的吹口哨聲。其中 以劍橋大學的 L.R.O. Storey,及史丹福大學的 R.A. Helliwell 最有名。他們對地 球的附近環境,提出了新的看法及研究,打開了磁層物理的研究科學領域。最後終於 明白,超長波產生的吹口哨聲,是因為由地球南北極磁場產生的「磁槳」,所構成的 很長的傳導路徑 (這就像是你以磁鐵貼放在紙下,鐵粉在紙上所形成的樣子)。這產 生的弧狀,可以延伸到好幾倍的地球半徑遠,這遠比電離層的幾百公里內還遠多了。 這就可以解釋,為什麼在地球上,可以聽到延續幾秒鐘的超長波吹口哨聲。


南極的超長波天線群

    在 1950 年代,使用超長波做軍事通訊時,因為發射的 CW 訊號,常可聽到類似吹口 哨的聲音。所以在 1960 年代開始,便選擇南極洲來做起長波吹口哨現象的研究。因 為南極洲的冰層極厚,又無電源哼聲的干擾,因此極適合做這類的實驗,而且可以有 足夠的空間,架設長達 40 公里的超長波雙偶極天線。

    一座功率極大的超長波發射台,在南極洲的 Siple 地方設立完成,在 1970 及 1980 年代,加拿大魁北克省的 Roberval 附近,記錄下許許多多的磁層訊號,這地方是地 磁場的交界處。另外也有許多的衛星愛好者,監測到訊號。這些試驗,讓科學家更了 解到,有關地球的電離層及磁層,對超長波電波的影響。於此同時,也才能繼續發展 出一些更詳細,更有用的實驗。


須要更多的耳朵幫忙

    最近,有關超長波的研究活動,依然被侷限在一些政府及大學的監聽電台。直到 1989 年,情況才有了改觀,許多高中學校及業餘無線電家,被邀加入了超長波的研 究行列,其中大規模的以美蘇為主,美國 NASA 及蘇聯都做過衛星的實驗。蘇聯的人 造衛星,以人為的方式,使用直徑 20 公尺的環型天線,穿過極大的 10.5KHz 電流 ,來刺激地表磁層。但是,很不幸地,此環型天線因故打結,使得天線的駐波比 (SWR) 極高,無法發出夠強的訊號。經過好幾個月的監聽,不論是美國或蘇聯,都沒 有收聽到這訊號的報告,雖然實驗失敗,但是精神卻很難得,不但是業餘無線電家。 連高中生也加入了行列,這種喚起各方面注意的情況,前所未有。


NASA 的 INSPIRE 實驗計畫

    1992 年的太空梭飛行任務中,進行了名為 INSPIRE (Interactive NASA Space Physics Ionosphere Experiments) 的試驗。那是由加洲的 TRW 公司及亞利桑那洲 的 MESA 公司,聯合資助進行的。太空稄的 STS-45 任務是名為 ATLAS (ATmospheric Laboratory for Application and Science) 實驗的第一次,這一系列的實驗總共有 十次。

    在 "ATLAS" 實驗中,有一項名為 "SEPAC"(Space Experiment with Particle ACcelefators),它是用來研究大氣層 (ATMOSPHERE)、電離層 (IONOSPHERE)、及磁 層 (MAGNETOSPHERE) 的計畫。

    SEPAC 加速器可以用來產生 50Hz 到 7KHz 的 7 千瓦 (KW) 電子束。此 SEPAC 加速 器比較特別的是,它沒有天線,利用電子加速原理,電子投入太空,而成為虛設的一 道天線。

    SEPAC 也是動員高中生及業餘無線電家,來監聽並記錄這超長波訊號,其可能擴散的 範圍,同樣稱之為足印 (FOOTPRINT)。這實驗要是不能動員起來許多監聽者,就注定 要失敗。


如何收聽「聲頻」範圍的「無線電波」

    超長波無線電的頻率從幾百 Hz 到 10KHz 左右,你大概會馬上有個反應,這不是人 類耳朵可以聽到的聲音嗎?不錯,這頻率是「聲頻」的範圍,但是,你不能直接以耳 朵來收聽,為什麼呢?因為無線電波無法在耳朵內產生振動,所以無法直接收聽。也 就是耳朵須要「物理波」,而這裡所該的超長波是「無線電波」。

    為了聽到這些超長波無線電波,必須把這些電磁波轉換成物理波。這個轉換很簡單, 只要有一換能器,然後再放大,並接到喇叭去,喇叭可以由電力來產生振動,使空氣 中的分子,因振動而產生聲音。


自製超長波接收機

    很幸運地,要製作一部超長波接收機並不昂貴,而且也很簡單,就算初入門的生手, 不懂得原理,也可以製作出可以正常工作的超長波接收機。此處的接收機命名為 RS-4,它是由業餘無線電家 WB6EFR 設計的,當時就希望高中生在物理課上,就可以 製作此部接收機。

    此部接收機的輸入線路使用 FET 場效應晶體元件,它可以把極高阻抗的訊號 (以幾 十公分到三公尺左右的天線接收波長 60 公里的超長波訊號),換成實用的訊號。為 了防止 10.2KHz 的導航歐麥加 (OMEGA) 訊號,侵入接收機線路,造成超載,輸入線 路還要有一低通濾波器。而主動高通濾波器的截止頻率是 1KHz,希望這可以降低 60Hz 電源及其諧波的干擾。

    FET 閘極上使用的線路,可以防止電視等其他強訊號的破壞。如果天線長度超過 10 公尺長,R1 必須由 SW3 做短路。同時,線路上有一麥克風插座及開關,它可以提供 你接收超長波訊號時,插入記錄的時間訊號或說明。完整的線路請參看 《圖 4》 (請以 300dpi 列印)。

    如果仔細觀查,線路內並沒有電源開關,它是由耳機插座上的彈片來控制電源的啟閉 ,這樣可以避免在攜帶或移動時,不小心切開電源,使乾電池耗罄。當然,如果你沒 有這方面的顧慮,也可以自行設置電源開關。

    此起長波接收機線路的零件擺放,並無特殊要求,不過,倒是有一原則不妨注意,那 就是天線輸入及耳機插孔輸出,要盡量拉遠,以防止可能的干擾。電工零件也沒有特 別要求,但是,U1A 上的 11K 及 22K 歐姆電阻,要保持 5% 的精確度,11K 歐姆電 阻不是標準電阻,你可以使用兩只 22K 電阻並聯,或是以 10K 和 1K 電阻串聯接入 。

    焊接完成後,有必要再次核對,同時在尚未固定外殼前,也可以做初步的測試。首先 把 U1 拔除,加上 9V 電源時,耗電量約只有 0.5 毫安培。如果電流量差太多,過 多或沒有電流,就要回過頭去檢查線路。然後去掉電源,插回 U1,此時,電流約在 3~6 毫安培。

    接收機完成後,可以把天線拉出一點點,並接好接地點,以耳機收聽看看,是不是有 類似電源哼聲的雜音?當你手靠近天線或碰觸天線時,這哼聲會變強。此時利用機會 ,把高通濾波器 (SW1) 切入切出,看看哼聲是不是會有不同的強度變化。

    與天線串聯的 470K 電阻,切入切出,對哼聲的大小,影響並不大。


如何使用這部接收機

    雖然這部接收機線路設有高通濾波器,以用來去除電源的交流呼聲,但這帶動文明的 電力,真是無所不在,光靠濾波器還真是力有不及。

    使用這接收機時,最好能到郊外,覓一人煙罕至的地方,最好是方圓 500 公尺內沒 有電力線,那是最理想不過了。當然,最重要的是,使用接收機時,要有接地,這可 以打個 30 公分長的地樁就可以了,或者是汽車的外殼也可以 (汽車要熄火)。使用 長的伸縮天搬,或是拉條 6 公尺到 15 公尺長的天線也可以。你可能聽到電源線的 交流哼聲,但是如果選對地方,也可能聽到短暫的拍打聲、爆米花聲,耐心夠的話, 也許可以聽到,大白然在吹口哨的聲音。 END

主要參考資料:
1. Mother Nature's Radio. by David Schneider
2. Project Inspire: A VLF Space Shuttle Experiment. by Jim Ericson



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