Correlational Analysis of the ELF – VLF Nighttime Atmospherics Parameters
Tweek-atmospherics (tweeks), along with radio transmission by VLF radio stations, are used to study the lower ionosphere. Electromagnetic pulse radiation, which has been excited by the lightning discharges, has a maximum spectral density at extra low frequencies range (ELF, 300...3000 Hz) and very l...
Збережено в:
| Дата: | 2022 |
|---|---|
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | English |
| Опубліковано: |
Scientific Centre for Aerospace Research of the Earth Institute of Geological Science National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, Ukraine
2022
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://ujrs.org.ua/ujrs/article/view/218 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Ukrainian Journal of Remote Sensing of the Earth |
Репозитарії
Ukrainian Journal of Remote Sensing of the Earth| id |
uajuacgovua-article-218 |
|---|---|
| record_format |
ojs |
| institution |
Ukrainian Journal of Remote Sensing of the Earth |
| baseUrl_str |
|
| datestamp_date |
2022-12-30T21:59:21Z |
| collection |
OJS |
| language |
English |
| topic |
lower ionosphere diagnostic ELF – VLF radiowaves tweek-atmospherics lightning location |
| spellingShingle |
lower ionosphere diagnostic ELF – VLF radiowaves tweek-atmospherics lightning location Gorishnya, Yulia Shvets, Alisa Correlational Analysis of the ELF – VLF Nighttime Atmospherics Parameters |
| topic_facet |
lower ionosphere diagnostic ELF – VLF radiowaves tweek-atmospherics lightning location диагностика нижней ионосферы СНЧ – ОНЧ радиоволны твик-атмосферики локация молний діагностика нижньої іоносфери ННЧ – ДНЧ радіохвилі твік-атмосферики локація блискавок |
| format |
Article |
| author |
Gorishnya, Yulia Shvets, Alisa |
| author_facet |
Gorishnya, Yulia Shvets, Alisa |
| author_sort |
Gorishnya, Yulia |
| title |
Correlational Analysis of the ELF – VLF Nighttime Atmospherics Parameters |
| title_short |
Correlational Analysis of the ELF – VLF Nighttime Atmospherics Parameters |
| title_full |
Correlational Analysis of the ELF – VLF Nighttime Atmospherics Parameters |
| title_fullStr |
Correlational Analysis of the ELF – VLF Nighttime Atmospherics Parameters |
| title_full_unstemmed |
Correlational Analysis of the ELF – VLF Nighttime Atmospherics Parameters |
| title_sort |
correlational analysis of the elf – vlf nighttime atmospherics parameters |
| title_alt |
Корреляционный анализ характеристик ночного распространения СНЧ – ОНЧ атмосфериков Кореляційний анализ характеристик нічного поширення ННЧ – ДНЧ атмосфериків |
| description |
Tweek-atmospherics (tweeks), along with radio transmission by VLF radio stations, are used to study the lower ionosphere. Electromagnetic pulse radiation, which has been excited by the lightning discharges, has a maximum spectral density at extra low frequencies range (ELF, 300...3000 Hz) and very low frequencies (VLF, 3...30 kHz). The Earth-ionosphere cavity serves as a waveguide for electromagnetic waves in these frequency ranges. On the spectrogram of the tweek, the initial part is a linearly polarized broadband signal, and then a number of individual harmonics are observed. Their instantaneous frequencies decrease, asymptotically approaching approximately multiples of the cutoff frequencies of the waveguide. The single position method for lightning location and estimation of the ELF wave’s reflection heights in the lower ionosphere by tweeks has been implemented into the computational algorithm. The clusters with approximately the same azimuths and distances to sources which have been obtained during the same night have been identified upon the ensemble of tweek-atmospheric records. The data were accumulated at the Ukrainian Antarctic Station "Akademik Vernadsky" in 2019. The location of the receiving complex in the near-polar region makes it possible to register tweek sources in two world thunderstorm centers with geographic azimuths from –60° to 130°. The results of processing these data have been used by studying the correlation matrix and partial correlation coefficients to identify causal relationships between the three main parameters of the tweek, such as (1) the average azimuth of the arrival of tweeks in regard to the magnetic meridian, (2) the average distance to the center of the cluster of tweek sources (lightning discharges), and (3) the average number of tweek harmonics. The same correlation analysis was applied to two groups with distances to sources of 2.2...7.5 Mm and 7.6...9.5 Mm used for study in detail. It is shown that the partial correlation coefficients between the number of tweek harmonics and the difference of the magnetic azimuth from the magnetic east are 0.624 (for the entire range of distances), 0.696 (for far tweek sources) and 0.595 (for main middle range), so, they always exceed the values of 0.1% significance level. The correlation of tweek spectrum with the distance to the tweek source in the range of 2.2…7.5 Mm has been shown to be comparable in magnitude or to exceed the correlation of tweek spectrum with the magnetic azimuth. The elimination of this masking effect by calculating the partial correlation coefficients made it possible to reveal the magnetic azimuth dependences of the tweek spectra if tweek propagates in a region outside the geomagnetic equator. Thus, the effect of non-reciprocity of propagation of ELF – VLF waves in regard to the magnetic meridian in the east – west and west – east directions is found in the spectra of tweek-atmospherics. It results in an increased probability of detecting tweeks with higher harmonics if their directions of arrival are close to the geomagnetic east. It is also shown that this effect, as a result of increased attenuation during the propagation of ELF – VLF radiation from the west and weakened attenuation during propagation from the east, leads to a highly significant correlation (with probability level more than 99.9%) between the magnetic azimuths of tweeks and the lengths of their paths to the receiving station. |
| publisher |
Scientific Centre for Aerospace Research of the Earth Institute of Geological Science National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, Ukraine |
| publishDate |
2022 |
| url |
https://ujrs.org.ua/ujrs/article/view/218 |
| work_keys_str_mv |
AT gorishnyayulia correlationalanalysisoftheelfvlfnighttimeatmosphericsparameters AT shvetsalisa correlationalanalysisoftheelfvlfnighttimeatmosphericsparameters AT gorishnyayulia korrelâcionnyjanalizharakteristiknočnogorasprostraneniâsnčončatmosferikov AT shvetsalisa korrelâcionnyjanalizharakteristiknočnogorasprostraneniâsnčončatmosferikov AT gorishnyayulia korelâcíjnijanalizharakteristikníčnogopoširennânnčdnčatmosferikív AT shvetsalisa korelâcíjnijanalizharakteristikníčnogopoširennânnčdnčatmosferikív |
| first_indexed |
2025-07-17T11:22:44Z |
| last_indexed |
2025-07-17T11:22:44Z |
| _version_ |
1850411167664570368 |
| spelling |
uajuacgovua-article-2182022-12-30T21:59:21Z Correlational Analysis of the ELF – VLF Nighttime Atmospherics Parameters Корреляционный анализ характеристик ночного распространения СНЧ – ОНЧ атмосфериков Кореляційний анализ характеристик нічного поширення ННЧ – ДНЧ атмосфериків Gorishnya, Yulia Shvets, Alisa lower ionosphere diagnostic ELF – VLF radiowaves tweek-atmospherics lightning location диагностика нижней ионосферы СНЧ – ОНЧ радиоволны твик-атмосферики локация молний діагностика нижньої іоносфери ННЧ – ДНЧ радіохвилі твік-атмосферики локація блискавок Tweek-atmospherics (tweeks), along with radio transmission by VLF radio stations, are used to study the lower ionosphere. Electromagnetic pulse radiation, which has been excited by the lightning discharges, has a maximum spectral density at extra low frequencies range (ELF, 300...3000 Hz) and very low frequencies (VLF, 3...30 kHz). The Earth-ionosphere cavity serves as a waveguide for electromagnetic waves in these frequency ranges. On the spectrogram of the tweek, the initial part is a linearly polarized broadband signal, and then a number of individual harmonics are observed. Their instantaneous frequencies decrease, asymptotically approaching approximately multiples of the cutoff frequencies of the waveguide. The single position method for lightning location and estimation of the ELF wave’s reflection heights in the lower ionosphere by tweeks has been implemented into the computational algorithm. The clusters with approximately the same azimuths and distances to sources which have been obtained during the same night have been identified upon the ensemble of tweek-atmospheric records. The data were accumulated at the Ukrainian Antarctic Station "Akademik Vernadsky" in 2019. The location of the receiving complex in the near-polar region makes it possible to register tweek sources in two world thunderstorm centers with geographic azimuths from –60° to 130°. The results of processing these data have been used by studying the correlation matrix and partial correlation coefficients to identify causal relationships between the three main parameters of the tweek, such as (1) the average azimuth of the arrival of tweeks in regard to the magnetic meridian, (2) the average distance to the center of the cluster of tweek sources (lightning discharges), and (3) the average number of tweek harmonics. The same correlation analysis was applied to two groups with distances to sources of 2.2...7.5 Mm and 7.6...9.5 Mm used for study in detail. It is shown that the partial correlation coefficients between the number of tweek harmonics and the difference of the magnetic azimuth from the magnetic east are 0.624 (for the entire range of distances), 0.696 (for far tweek sources) and 0.595 (for main middle range), so, they always exceed the values of 0.1% significance level. The correlation of tweek spectrum with the distance to the tweek source in the range of 2.2…7.5 Mm has been shown to be comparable in magnitude or to exceed the correlation of tweek spectrum with the magnetic azimuth. The elimination of this masking effect by calculating the partial correlation coefficients made it possible to reveal the magnetic azimuth dependences of the tweek spectra if tweek propagates in a region outside the geomagnetic equator. Thus, the effect of non-reciprocity of propagation of ELF – VLF waves in regard to the magnetic meridian in the east – west and west – east directions is found in the spectra of tweek-atmospherics. It results in an increased probability of detecting tweeks with higher harmonics if their directions of arrival are close to the geomagnetic east. It is also shown that this effect, as a result of increased attenuation during the propagation of ELF – VLF radiation from the west and weakened attenuation during propagation from the east, leads to a highly significant correlation (with probability level more than 99.9%) between the magnetic azimuths of tweeks and the lengths of their paths to the receiving station. Твик-атмосферики (твики), наряду с радиопросвечиванием волнами ОНЧ-радиостанций, используются для изучения нижней ионосферы. Возбуждаемое грозовыми разрядами электромагнитное импульсное излучение имеет максимальную спектральную густоту в диапазоне сверхнизких частот (СНЧ, 300...3000 Гц) и очень низких частот (ОНЧ, 3...30 кГц). Полость Земля – ионосфера служит волноводом для электромагнитных волн в диапазонах таких частот. На спектрограмме твика начальная часть представляет собой линейно поляризованный широкополосный сигнал, затем наблюдается ряд отдельных гармоник, а их мгновенные частоты уменьшаются, асимптотически приближаясь примерно к кратным частотам отсечения волновода. Однопозиционный метод локации молний и оценки высот отражения СНЧ-волн в нижней ионосфере по сигналам твиков был введен в вычислительный алгоритм. На ансамбле записей твик-атмосфериков выделены кластеры с примерно одинаковыми азимутами и расстояниями до источников, полученных в ту же ночь. Данные были накоплены на Украинской Антарктической Станции "Академик Вернадский" в 2019 году. Размещение приемного комплекса в пределах полярного региона позволяет регистрировать источники твиков из двух планетарных грозовых центров с географическими азимутами в месте приема от –60° до 130°. Результаты обработки данных были использованы путем изучения корреляционной матрицы и частичных коэффициентов корреляции для выявления причинно-следственных связей между тремя основными параметрами твика, которыми были средний азимут твика в отношении магнитного меридиана, средняя дистанция до центра кластера источников твика (молний) и среднее количество гармоник твика. Такой корреляционный анализ был проведен также для двух групп с дистанциями в источники 2,2...7,5 Мм и 7,6...9,5 Мм, на которые для углубленного изучения была разделена выборка. Продемонстрировано, что частичный коэффициент корреляции между количеством гармоник твиков и отличием магнитных азимутов от направления на магнитный восток равен 0,624 для полного диапазона дистанций, 0,696 для твиков с удаленными источниками и 0,595 в широком диапазоне средних расстояний 2,2...7,5 Мм, что во всех случаях соответствует уровню значимости 0,1%, то есть очень значимому. Показано, что корреляция дистанции к источнику твика и его спектру в диапазоне 2...7,5 Мм по величине примерно сравнивает или превосходит корреляцию магнитного азимута твика и его спектра. Устранение маскирующего эффекта от воздействия дистанции путем нахождения частичных коэффициентов корреляции позволило выявить, как спектры твиков зависят от магнитного азимута, если твик распространяется в области вне геомагнитного экватора. Таким образом, в спектрах твик-атмосфериков выявлен эффект невзаимности распространения СНЧ – ОНЧ волн относительно магнитного меридиана в направлениях восток – запад и запад – восток, что приводит к увеличению вероятности обнаружения твиков с более высокими гармониками, если направления их прихода близки к геомагнитному востоку. Показано также, что этот эффект невзаимности вследствие повышенного угасания СНЧ – ОНЧ излучения при распространении с запада и ослабленного затухания при распространении с востока приводит к очень значимой корреляции (с вероятностью более 99,9%) между величиной магнитных азимутов твиков и длин их пути к приемной станции. Твік-атмосферики (твіки), поряд з радіопросвічуванням хвилями ДНЧ-радіостанцій, використовуються для вивчення нижньої іоносфери. Електромагнітне імпульсне випромінювання, що збуджується грозовими розрядами, має максимальну спектральну гущину в діапазоні наднизьких частот (ННЧ, 300...3000 Гц) та дуже низьких частот (ДНЧ, 3...30 кГц). Порожнина Земля – іоносфера служить хвилеводом для електромагнітних хвиль у діапазонах таких частот. На спектрограмі твіка початкова частина є лінійно поляризованим широкосмуговим сигналом, потім спостерігається ряд окремих гармонік, а їх миттєві частоти зменшуються, асимптотично наближаючись приблизно до кратних частот відсікання хвилеводу. Однопозиційний метод локації блискавок та оцінки висот відбиття ННЧ-хвиль у нижній іоносфері за сигналами твиків було введено в обчислювальний алгоритм. На ансамблі записів твік-атмосфериків виділено кластери з приблизно однаковими азимутами та відстанями до джерел, отримані в ту ж ніч. Дані були накопичені на Українській Антарктичній Станції «Академік Вернадський» у 2019 році. Розміщення прийомного комплексу в межах полярного регіону дає можливість реєструвати джерела твіків з двох планетарних грозових центрів з географічними азимутами в місці прийому від –60° до 130°. Результати обробки цих даних були використані шляхом вивчення кореляційної матриці та часткових коефіцієнтів кореляції для виявлення причинно-наслідкових зв'язків між трьома основними параметрами твіка, якими були середній азимут твіка відносно магнітного меридіана, середня дистанція до центру кластера джерел твіка (блискавок) та середня кількість гармонік твіка. Такий кореляційний аналіз було проведено також для двох груп з дистанціями до джерел 2,2...7,5 Мм і 7,6...9,5 Мм, на які для поглибленого вивчення було розділено вибірку. Продемонстровано, що частковий коефіцієнт кореляції між кількістю гармонік твіків та відмінністю магнітних азимутів від напрямку на магнітний схід дорівнює 0,624 для повного діапазону дистанцій, 0,696 для твіків з віддаленими джерелами та 0,595 у широкому діапазоні середних відстаней 2,2...7,5 Мм, що у всіх віпадках відповідає рівню значущості 0,1%, тобто дуже значущому. Показано, що кореляція дистанції до джерела твіка та його спектра в діапазоні 2...7,5 Мм за величиною приблизно порівнює або перевершує кореляцію магнітного азимуту твіка та його спектра. Усунення маскуючого ефекту від впливу дистанції шляхом знаходження часткових коефіцієнтів кореляції дозволило виявити, як спектри твіків залежать від магнітного азимуту, якщо твік поширюється в області поза геомагнітним екватором. Таким чином, у спектрах твік-атмосфериків виявлено ефект невзаємності поширення ННЧ – ДНЧ хвиль щодо магнітного меридіана у напрямах схід – захід та захід – схід, що призводить до збільшення ймовірності виявлення твиків з вищими гармоніками, якщо напрями їхнього приходу близькі до геомагнітного сходу. Показано також, що цей ефект невзаємності внаслідок підвищеного згасання ННЧ – ДНЧ випромінювання при поширенні із заходу та ослабленого згасання при поширенні зі сходу призводить до дуже значущої кореляції (з ймовірністю більш ніж 99,9%) між величиною магнітних азимутів твиків та довжин їхнього шляху до приймальної станції. Scientific Centre for Aerospace Research of the Earth Institute of Geological Science National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, Ukraine 2022-12-08 Article Article application/pdf https://ujrs.org.ua/ujrs/article/view/218 10.36023/ujrs.2022.9.4.218 Ukrainian journal of remote sensing; Vol. 9 No. 4 (2022); 4-12 Украинский журнал дистанционного зондирования Земли; Том 9 № 4 (2022); 4-12 Український журнал дистанційного зондування Землі; Том 9 № 4 (2022); 4-12 2313-2132 en https://ujrs.org.ua/ujrs/article/view/218/237 Copyright (c) 2022 Ukrainian journal of remote sensing |