GBZ – VLF – Hauteur de la couche D et géométrie du lever ionosphérique

Mesure réalisée en VLF du 29 avril au 1er mai: Identification de l’effet d’absorption maximum lorsque l’angle zénithal du soleil est de 94,5°

Il s’agit de la réception effectuée à Domont (95) en VLF (19.580 KHz) de la station GBZ située à Anthorn (UK). Le tracé Le tracé nous renseigne sur les SID (sudden ionospheric isturbance ou perturbation ionosphérique à début brusque).
Le graphique représente la variation du niveau RMS du signal (valeur efficace) sur une durée de 24h. Sur ce tracé nous observons chaque jour le lever ionosphérique (ici 3h53 UTC) ainsi que le couché (ici 20h16). Le lieu où la réflexion (nous parlons plutôt de réfraction en fonction des propriétés de la couche D qui réfracte l’onde reçue vers le sol en la pliant) s’effectue à la verticale est appelé point subréflectif et interviens au moment où le SZA (Solar Zenith Angle) est d’environ 97,8° il est situé au milieu du trajet (distance entre émetteur et récepteur 822Km). Le tracé nous renseigne ici sur l’heure exacte des phénomènes et une vérification au point géographique est réalisée grâce au calcul de l’angle solaire au zénith à l’aide du calculateur disponible sur le site internet de NOAA. La valeur angulaire de 97.8° correspond au lever du soleil au point bas de la région D quand celle-ci est totalement éclairée et donc ionisée.  La valeur de SZA du nous permet ensuite de calculer la hauteur h (en Km) de la couche D (La région D, comprise entre 50 et 90 km d’altitude) qui réfléchit l’onde reçue ici à Domont. Sachant qu’il est ici question d’une absorption soudaine en raison de l’illumination de la couche par le soleil par le coté (éclairement tangent à la troposphère puis en l’espace de 3 minutes environ éclairement de la totalité de la région D). Quelques points sont marqués avec le calcul de h qui est réalisé pour ces points. Le point zénithal à mi-parcours est également calculé en km, il s’agit de la hauteur de la couche écran ou l’absorption sera maximale dans la région D. Les calculs peut être réalisé d’après les formules issues de « Basse ionosphère, région D, les fondamentaux » de J.J. Delcourt ou à l’aide d’une calculette Excel telle que celle réalisée par J-M Polard (F5VLB).

Pour effectuer ces mesures il faut :
1- Enregistrer le signal VLF provenant d’une station connue grâce à une antenne (antenne active pour ceux qui sont en ville et qui n’ont pas des km de jardin)
2- Un logiciel pour traiter le signal reçu (J’ai développé mon propre logiciel automatique sous LabVIEW sous Windows). SpectrumLab est également un logiciel gratuit qui permet de faire ce types d’enregistrements.
3- Il faut ensuite réaliser un graph avec SpectrumLab ou traiter les données exportées dans Excel
4- Avec les coordonnées géographiques précises de l’émetteur et celles du récepteur il est possible de calculer les coordonnées du  point milieu (Midpoint), il s’agit du point à mi-chemin le long d’un grand cercle qui relie les deux points (utilisation d’un calculateur sur internet ou d’un script C++ sinon les formules existent)
5 –Pour chaque point relevé sur la courbe il est ensuite possible, avec la date et l’heure précise, d’obtenir la valeur de l’angle SZA correspondant au Midpoint (serveur NOAA, National Oceanic and Atmospheric Administration)
6 – Avec la valeur SZA obtenue il faut ensuite appliquer des formules de géométrie (Cosinus, sinus etc…) ou une formule toute faite voir encore mieux une calculette Excel afin d’obtenir la valeur de h et de Z (en Km) pour le phénomène observé.

Franck D

Littérature sur le sujet:

  • Basse ionosphère, région D – « Les fondamentaux » de JJ Delcourt  http://couched.be/
  • A la découverte des fréquences basses – Jean-Louis Rault – Radio-REF 751 Janvier 2003, Radio-REF 753 753
  • Development of the new ELF/VLF receiver for detecting the sudden ionospheric disturbances (Le MINH TAN, Keyvan GHANBARI)
  • Calcul de la variation de densité électronique dans la basse ionosphère au cours d’une éruption solaire par Jean-Marc de COMARMOND; Lab Physique – Observatoire de Tananarive)
  • Attenuation Coeficients for propagation at very low fréquencies (VLF) during a Sudden Ionospheric Disturbance (SID), E.T. Pierce, Contribution from Stanford Instituts, Menlo Park, Calif.
  • A study of VLF signals variations associated with the changes of ionization level in the D-region in consequence of solar conditions
  • Variations régulières de phase des émissions de GBR (16,0 kHz) et GBZ (19,6 kHz) reçues à Tananarive. Jean-Marc de COMARMOND et Louis de Laitre (Laboratoire de physique – Observatoire de Tananarive)
  • Calcul de la variation de densité électronique dans la basse ionosphère au cours d’une éruption solaire par Jean-Marc de Comarmond, (Laboratoire de physique – Observatoire de Tananarive)
  • Attenuation Coefficients for Propagation at Very Low Frequencies (VLF) During a Sudden Ionospheric Disturbance (SID). JOURNAL OF RESEARCH of the National Bureau of Standards-D. Radio Propagation. Vol. 65D, No.6, November- December 1961 – E. T. Pierce Contribution from Stanford Research Institut. Menlo Park, Calif. (Received May 11, 1961)
  • UNCLASSIFIED – WAVE PROPAGATION IN ANISOTROPIC LAYERED MEDIA. WILLIAM R. SCOTT, AIRCRAFT AND CREW SYSTEMS TECHNOLOGY1 DIRECTORATE NAVAL AIR DEVELOPMENT CENTER WARMINSTER, PENNSYLVANIA 18974, 17 June 1980
  • VLF Waveguide Propagation: The Basics. Kenneth J.W. Lynn. Ionospheric Systems Research, 16 Heritage Dr., Noosaville 4566, Australia
  • UNCLASSIFIED – VERY JOW FREQUENCY PROPAGATION IN THE EARTH’S CRUST BELOW THE OCEAN, THESIS Presented to the Faculty of the School of Engineering of the Air Force Institute of Technology Air University in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Science
  • Technical Note, TRANSMISSION LOSS IN RADIO PROPAGATION – BY KENNETH A. NORTON, U. S. DEPARTMENT OF COMMERCE NATIONAL BUREAU OF STANDARDS
  • UNCLASSIFIED – Technical Document 431, TRANSEQUATORIAL PROPAGATION OF VERY LOW FREQUENCY RADIOWAVES. NAVAL OCEAN SYSTEMS CENTER SAN DIEGO, CALIFORNIA 92152
  • UNCLASSIFIED – THE ROLE OF ENERGETIC PARTICLE PRECIPITATION IN EXTREMELY LOW FREQUENCY (ELF) PROPOGATION ANOMALIES – PALO ALTO RESEARCH LABORATORY – LOCKHEED MISSILES & SPACE COMPANY. INC * A SUBSIDIARY OF LOCKHEED AIRCRAFT CORPORATION PALO ALTO. CALIFORNIA
  • Sub-ionospheric VLF signal anomaly due to geomagnetic storms: a statistical study – K. Tatsuta1, Y. Hobara1,2, S. Pal1,3, and M. Balikhin4 – Ann. Geophys., 33, 1457–1467, 2015 – www.ann-geophys.net/33/1457/2015/ – doi:10.5194/angeo-33-1457-2015
  • The Little Pistol’s Guide to HF Propagation, by Robert R. Brown. Published by WORLDRADIO BOOKS P.O. Box 189490 Sacramento, CA 95818
  • Long-Path Propagation – A Study of Long-Path Propagation in solar cycle 22 by Robert R. Brown, March 1992
  • Low latitude VLF radio signal disturbances due to the Extremely Severe Cyclone Fani of May, 2019 and associated mesospheric response. Sujay Pal, Shubham Sarkar, Subrata K. Midya1 Sushanta K. Mondal Yasuhide Hobara. Department of Atmospheric Sciences, University of Calcutta, Kolkata-700019, India
  • PART A – IONOSPHERIC DATA – ISSUED NOVEMBER 1958 – U. S. DEPARTMENT OF COMMERCE NATIONAL BUREAU OF STANDARDS CENTRAL RADIO PROPAGATION LABORATORY BOULDER, COLORADO. Issued 24 Nov. 1958
  • UNCLASSIFIED – THESIS, HIGH FREQUENCY IONOSPHERIC PROPAGATION PHENOMENA by Richard Robert Rowe, December 1976. NAVA L POSTGRA DUATE SCHOOL – Monterey, California
  • EFFECT OF A CYLINDRICALLY -SYMMETRIC IONOSPHERIC DISTURBANCE ON ELF PROPAGATION IN THE EARTH IONOSPHERE WAVEGUIDE. R&D Associates. P.O. Box 9695 Marinadel Rey, Cal ifornia9O29l. APPROVED FOR PUBLIC RELEASE; DIST RIBUTION UNLIMITED. THIS WORK SPONSORED BY THE DEFENSE NUCLEAR AGENCY UNDER RDT&E RMSS CODE 8310076464 P99QAXDBOO117 H2590D

Nouvelle antenne pour l’étude des VLF et Sudden Ionospheric Disturbance (SID)

Ces derniers mois quelques jours (Week-end) ont été consacrés à la conception d’une nouvelle antenne VLF constituée de boîtes de conserves à l’intérieur d’un tube PVC et de sable.

Le préamplificateur VLF a été conçu et réalisé par mes soins, il comporte une batterie rechargeable 9V avec un système de recharge à courant constant afin de ne pas introduire de perturbation (parasites). I’antenne active est dotée d’un panneau solaire pour la recharge de la batterie. Les tests ont déjà montré une très bonne tenue dans le temps (autonomie de plus d’une semaine avec une météo très grise !).

Mais ce n’est pas tout, il faut aussi pouvoir analyser correctement les signaux exportés depuis le logiciel de traitement SpectrumLab et c’est la raison de deux développement informatique sous LabVIEW version 2020. Réalisation d’un programme de visualisation et d’intégration des courbes ainsi qu’un autre programme permettant de récupérer automatiquement les fichiers flux rayon X (X-ray) sur un ou trois jours au format Json provenant du satellite GEOS. Les fichiers sont téléchargés sur le site dédié via le protocole HTTP et chaque champ est parsé vers un fichier compatible Excel (.CSV) et également affiché dans un graph.

Quelques images de l’installation, du programme et des résultats d’enregistrements.

 

SAQ Grimeton 5 Juillet 2020 VLF « E-field coffeebox probe active antenna »

A l’occasion de la transmission SAQ Grimeton le 5 juillet 2020 je propose une petite balade en petit comité sur le point haut d’ Andilly afin d’écouter en VLF sur 17,2 KHz le signal transmis en CW depuis Grimeton en suède
La transmission annuelle avec l’alternateur d’Alexanderson sur VLF 17,2 kHz avec l’indicatif d’appel SAQ aura lieu le dimanche 5 juillet 2020.

La première fréquence attribuée à SAQ, 16,7 kHz, a rapidement été changée en 17,2 KHz (aujourd’hui), correspondant à une longueur d’onde de 17,4 kilomètres. Parce que l’efficacité de l’antenne a été calculée à 13%, à la puissance maximale de 200 kW de l’émetteur, la puissance électromagnétique totale était de 26 kW.
Le premier message a été envoyé le 1er décembre 1924 et l’année suivante, le 2 juillet 1925, la station a été officiellement inaugurée par Sa Majesté le Roi Gustaf V. avec l’envoi d’un télégramme au président américain Calvin Coolidge. Dès le début, une grande partie des télégrammes de la Suède à l’Amérique ont été envoyé de Grimeton. L’émetteur pourrait envoyer 100 mots par minute (mots par minute) correspondant à 500 caractères par minute, mais la vitesse habituelle était d’environ 25 mots par minute (wpm).
La tension rapportée à la terre dans les parties supérieures des bobines pour les conducteurs verticaux pourrait atteindre 130 kilovolts et les champs environnants étaient donc forts. Ceci nécessitait des protections, en bois autour des bobines. Fréquemment le personnel en charge
a dû intervenir après qu’une clôture a été incendiée par l’action des champs électriques.
La bande passante nécessaire pour transmettre le code Morse est petite, ce qui nécessite une réception en bande étroite. Ainsi, la fréquence de l’émetteur ne doit pas varier beaucoup sa fréquence de 17,2 kHz, il est préférable que la fréquence ne varie pas plus de 20 Hz environ, c’est-à-dire environ 1/1000, pas facile à obtenir ceci avec un moteur dans les premiers jours.
Pour atteindre la fréquence relativement élevée nécessaire, le générateur devait être d’un design spécial. Sa partie tournante est un disque en acier, à sa périphérie denté avec 488 dents, se déplaçant le long des pôles de 64 électro-aimants. Les dents sont entrelacées de laiton pour rendre le disque lisse afin d’éviter une trop forte résistance à l’air. Leur fonction repose sur la périodicité variations du flux magnétique dues aux différentes propriétés magnétiques de l’acier et laiton, Chacun des 64 enroulements peuvent produire 100 volts à 30 ampères, soit 3 kW ou au total 64 x 3 kW ≈ 200 kW.
La vitesse de révolution nominale est de 2115 tr / min, soit 35,25 par seconde. Ainsi, chaque aimant est passé par 35,25 x 488 = 17 202 couples acier / laiton par seconde, ce qui fait la fréquence 17,2 kHz.
À l’occasion de la transmission SAQ Grimeton le 5 juillet 2020 (2 fois par an) je propose une petite balade en petit comité sur le point haut d’Andilly afin d’écouter en VLF sur 17,2 kHz le signal transmis en CW depuis Grimeton en suède.
La transmission annuelle avec l’alternateur d’Alexanderson sur VLF 17,2 kHz avec l’indicatif d’appel SAQ aura lieu le dimanche 5 juillet 2020.
Deux transmissions sont programmées comme suit:
Démarrage et réglage à 10h30 (08h30 UTC) avec une transmission d’un message à 11h00 (09h00 UTC) puis démarrage et réglage à 13h30 (11h30 UTC) avec transmission d’un message à 14h00 (12h00 UTC)

Je propose à ceux qui le souhaitent de me retrouver sur le parking en bas de la grande antenne le 5 Juillet à 9h00 afin de monter à pied sur le point haut et d’installer le système de réception autour d’un café (antenne active et ordinateur pour démoduler le signal).
Les premiers essais de transmissions SAQ auront lieu à 10h30 heure locale et la transmission du message en CW à 11h00, j’ai besoin des compétences CW! J’ai un récepteur en sus et je peux aussi aider celui qui souhaiterai en réaliser un avec quelques composants.

Localisation du rendez vous : 49°00’45.0″N 2°18’10.8″E
Lieu de réception prévu : 49°00’56.5″N 2°18’16.3″E
Suivi APRS indicatif F4IEW à partir de 9 h 00 sur site.

Tenez moi informé à l’avance de votre participation.- 73 de Franck, F4IEW

https://mailchi.mp/e1280701dc52/alexanderson-day-transmission-cancelled-3596466?e=105bdb50bf&fbclid=IwAR11G8Eg7ZIoyw_uA1cysUei9zdWSfUqfj75iZLIjhbnanq8hBM4nWV1E0g

Deux transmissions sont programmées comme suit:

  • Démarrage et réglage à 10h30 (08h30 UTC) avec une transmission d’un message à 11h00 (09h00 UTC).
  • Démarrage et réglage à 13h30 (11h30 UTC) avec transmission d’un message à 14h00 (12h00 UTC)

Je propose à ceux qui le souhaites de me retrouver sur le parking le 5 Juillet à 9h00 (Heure locale) afin de monter à pied sur le point haut et d’installer le système de réception autour d’un café (antenne active et ordinateur pour démoduler le signal).

Les premiers essais de réception de la transmissions SAQ auront lieu à 10h30 heure locale et la transmission du message en CW à 11h00, j’ai besoin des compétences CW!
J’ai un récepteur en sus et je peux aussi aider celui qui souhaiterai en réaliser un avec quelques composants.

Suivi APRS indicatif F4IEW  à partir de 9h00 sur site.Tenez moi informé à l’avance de votre participation.
Avec mes meilleurs 73′
Franck
F4IEW

Réalisation d’un préamplificateur VLF pour la réception SAQ

« E-Field coffeebox active antenna » Version 1 sans batterie rechargeable et version 2 avec un système de recharge de batterie à distance

Version 2 « E-field coffeeBox active antenna »

Version 2 « E-field coffeeBox active antenna » chargeur 9 volts NIMH 170mAH charge @18mA

50 Hz Notch filter for ELF and VLF reception

Making a passive 50Hz Notch filter for my next ELF & VLF recording. 23K= 22K+1K and capacitor of 132nF is done with two 220nF series and one 22nF = 132nF. Will be placed in entrance just before high impedance of JFET transistor (2SK170). In near future active notch filter will be implemented as configurable function in my new ELF/VLF amplifier.

Homemade « Balckcoffee antenna » for ELF and VLF recording

The goal of
the construction is to get heavy E-Field antenna with Well filled inside
between the metallic box (diam.90mm) and PVC tube of 100mm diameter. Due to the
Well and the heavy construction this antenna is much more less sensitive to
wind and vibration that usually produce a lot of sort of spike or/and noise
burst on the signal when antenna is moving.

It should be also an advantage to get a nice circular metallic area to keep the electron in the box! by F4IEW, Franck Feb 21, 2020 – France JN19DA

Conférence ELF VLF à L’ARAM 95, 14/02/2020

La propagation et le spectre TLF/ELF/SLF/ULF/VLF
 Quelques stations VLF à portée d’antenne
 Modification de la propagation: tremblements de Terre et Meteor 
 Comment recevoir les ELF/VLF 
 Construction du récepteur « Darjeeling V2. » selon les schémas de F6AGR
 Quelques réalisations électronique pour écouter et enregistrer les ELF/VLF
 Les différentes antennes de réception 
 Emissions amateurs en VLF
 Les antennes « Earth Probe » 
 Quelques liens internet utiles
Ces ondes se propageant dans l’eau de mer, elles sont utiles pour la navigation et la communication avec les sous-marins.
Ces ondes peuvent aussi pénétrer des distances importantes dans la roche et le sous-sol, ce pourquoi elles sont utilisées par certains systèmes de communication minière et s’utilisent en géophysique dans l’exploration du sous-sol (couches géologiques, cavités, etc.…).
Ces fréquences sont aussi exploitées pour détecter certains phénomènes naturels, générateurs d’impulsions radioélectriques (foudre et certaines perturbations naturelles du champ magnétique terrestre)

SAQ Grimeton le 24 Décembre 2019 – 8h30 UTC

Dans la matinée de la veille de Noël, le 24 décembre au matin depuis le locator JN04GS, j’ai pu tester avec succès le préamplificateur ELF-VLF « Darjeeling » réalisé selon les plan de F6AGR.
L’ancien émetteur Alexanderson 200 kW a bien voulu démarrer quelques longues minutes après 8:30 heure locale (vers 8h45). Ce transmetteur de 1924 a une nouvelle foi réussi à envoyer un message de Noël sur VLF 17,2 kHz CW. Photographies de l’installation et de la réception réalisée avec le logiciel SAQrx_ V094 et SpectrumLab.

Antenne verticale de 1,5m connectée au préamplificateur VLF par 3m de Twin Lead 450 ohms, la masse est reliée à la terre dès l’entrée avec un petit tube d’aluminium enfoncé sous terre. La sortie du préamplificateur est reliée à la carte son qui digitalise le signal à une fréquence d’échantillonnage de 192K.

Réception SAQ Grimeton par F4IEW le 24 Décembre 2019 en JN04GS

Réceptions ELF et VLF avec RX Darjeeling V.2.1

La réalisation d’un préamplificateur ELF VLF dédié aux enregistrements très basses fréquences à été réalisé en composants traversants et CMS d’après le montage proposé par Jean-Louis (F6AGR). Jean-Louis à très souvent utilisé ce modèle dans le cadre de ses enregistrements sur les Météores (voir publications en références).

Des essais ont été effectués sur une antenne dipôle de 2x15m puis sur des petites verticales, horizontales et ensuite sur une antenne ferrite que j’ai réalisé avec un matériau 3B1 (Ferrite ROD CORE ROD10/200).

Le développement de ces outils sera utile dans le cadre de la mise en oeuvre de mon projet de recherche sur la communication des végétaux.

Quelques photographies de l’antenne Ferrite de 6,37 mH et des différentes réceptions réalisées durant le Week-end.

Antenne Ferrite (matière 3B1) de 6,37 mH réalisé avec du fil de cuivre émaillé Diam. 0,2mm

FTA the First strong VLF reception with Darjeeling V2.1 reception amplifier just finished. FTA listened on 20,9 Khz Locator JN18qn.

The transmitter of Sainte Assise (JN18gn) is a transmitter for very long waves VLF (very low frequency), installed in the area of ​​the castle of Sainte-Assise Seine-Port in Seine-et-Marne. Its antenna was carried by eleven pylons of 250 meters and five masts of 180 meters. At its inauguration in 1921, the transmitter was the most powerful in the world and covered the entire world. In November 1921, the first French radio program was conducted on a trial basis using a 1 kW longwave transmitter. Mademoiselle Yvonne Brothier performed La Marseillaise, La Valse de Mireille and an air of the Barber of Seville. Subsequently, the site was a testing center for television. Requested by the Kriegsmarine in 1941 to allow communications between Berlin and the U-Boots. Paradoxically, St. Assise did not suffer from Allied bombing and all the antennas survived. As provided for by the October 1920 Convention, on 1 January 1954, the PTT resumed these installations. In 1991, part of the station was sold by France Telecom to the French Navy, to become the Marine Communications Center (CTM) of Sainte-Assise in charge of unilateral communications with submarines underwater. The site, inaugurated in 1998, became a military site guarded by a rifle company.

Quelques références sur ce sujet:

Searching for meteor ELF /VLF signatures lien:
https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-00638548/document

Evidence for VLF radio waves propagation perturbations associated with single meteors Jean-L. Rault International Meteor Organization Radio Commission :
https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-00638549/file/Poster_M-SID_Jean-L_Rault_s.pdf

ELF/VLF radiation produced by the 1999 Leonid meteors
https://www.researchgate.net/publication/225202936_ELFVLF_radiation_produced_by_the_1999_Leonid_meteors

Magnetic Loop Antenna Theory
https://sidstation.loudet.org/antenna-theory-en.xhtml

A very low noise preamplifier for extremely low frequency magnetic antenna
http://www.jos.ac.cn/app/article/app/doi/10.1088/1674-4926/34/7/075003?pageType=en

Ferrite 3B1
https://www.ferroxcube.com/upload/media/product/file/MDS/3b1.pdf

Réalisation d’un préamplificateur VLF et HF

La réalisation d’un préamplificateur VLF/HF à été réalisée afin de rendre active l’antenne cadre que j’ai déjà réalisée et dans un deuxième temps lui adjoindre une bobine de 400 spires / 200 spires / 50 spires pour couvrir la réception de 16 KHz à 600 KHZ. L’écoute de SAQ Grimeton sur 17,2 KHz et des émissions Navtex sera donc plus facile et possible en mobilité. Quelques essais déjà réalisés montrent un très bon fonctionnement sur les bandes 80m et 40m avec des signaux qui passent de S7 à 9+20 !

D’après les mesures et la simulation effectuée avec le logiciel LTspice le gain en tension est d’environ +15 dB et le gain en puissance sur une impédance d’entrée et de sortie égale à 50 Ohms est d’environ 8 dB (l’ensemble chute un peu sur la bande des 40m).

Ci-dessous quelques photos et fichiers utiles:
– Schéma du circuit
– Simulation entrée/sortie avec générateur sinusoïdal f=17,2KHz
– Photo du montage sur plaque prototype
– Fichier LTSpice du préamplificateur

Montage du préamplificateur VLF/HF

Schéma du préamplificateur VLF/HF

Simulation sous LTSpice avec une entrée sinusoïdale de fréquence 17,2 Khz et une amplitude de 10mV en entrée, la sortie du signal est représentée en bleu.