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Empfänger für atmosphärische Impulsstrahlung (Sferics-RX)
von Karl Schedler (DC2MP)

 

AIS atm. Impulsstrahlung (Sferics): Entstehung und Eigenschaften
Sferics sind natürliche VLF (very low frequency) Signale, welche in der Atmosphäre im Wesentlichen durch elektrische Entladungen entweder zwischen Wolkenschichten oder als Blitze zwischen Wolken und Erde entstehen. Dabei sind kurzzeitig nicht unerhebliche Stromstärken im Spiel, welche ein Magnetfeld erzeugen was sich über weite Strecken als elektromagnetischer Impuls ausbreitet. Diese kurz als Sferics bezeichneten Impulse sind im Prinzip über viele hundert Kilometer messbar. Die Feldstärken sind sehr gering und bewegen sich, je nach Entfernung vom Entstehungsort, im Bereich von einigen uV/m bzw. Magnetfeldstärken einigen mA/m oder Magnetflussdichten von einigen pT bis 100 nT. Der interessierende Spektralbereich liegt zwischen 0 ... 30 kHz. Die Sferics ermöglichen durch geeignete Antennen herannahende Wetterfronten bereits einige Tage im voraus zu erkennen. Da die magnetische Komponente bedeutender ist, wird häufig die Magnetflussdichte in nT (NanoTesla) angegeben. Für die Aussagekraft der Sferics-Aktivitäten kommt es aber nicht so sehr auf die Feldstärke an, als vielmehr auf die Häufigkeit und den spektralen Anteil. 
Quelle: Sferics TUM Garching Oettinger
Biotrope Wirkung der Sferics:
Die linke Darstellung zeigt ein typisches Impulsbild eines Sferics in der Zeitdomände und den Anteil im Spektrum.
Während meiner Zeit (1978-1984) als wiss. Mitarbeiter am Max-Plank-Institut für Biochemie, Abteilung experimentelle Medizin wurden auch unter anderem einige Studien unternommen, welche die biotrope Wirkung der Sferics näher erforschen sollten. Eindeutig nachgewiesen konnte der Einfluss der Sferics auf Dichromat-Gelatine-Schichten. Damals wurde Dichromat-Gelatine aus natürlichem Kollagen hergestellt, das sind Eiweiß-Fasern, die im fast allen tierischen und menschlichen Bindegeweben vorkommen. Bei bestimmten Sfercis-Aktivitäten war eine deutliche Quellung der Kollagenschicht zu beobachten, obwohl alle Umgebungsparameter wie Temperratur, Feuchte und Luftdruck absolut konstant gehalten wurden. Hans Baumer hatte diesen Effekt schon in den 1960er Jahren entdeckt. Weiters konnte eine signifikante Korrelation bestimmter AIS Aktivitäten mit der Häufigkeit von epileptischen Anfällen einer beobachteten Patientengruppe festgestellt werden. Auch das Auftreten von Hörstürzen zeigte eine auffällige Abhängigkeit der Sfervics-Aktivitäten.
Auch an der TU München und an der Uni Giessen wurde an dem Thema geforscht.
Trotz der geringen Feldstärke gibt es also nicht von der Hand zu weisende Hinweise, dass diese Impulsfelder und deren Frequenzanteil auf Proteine und neuronale Strukturen einen Einfluss haben Sferics Spektrum Quelle: Bauer Sönningkönnen. Was durchaus die sog. "Wetterfühligkeit" vieler Menschen erklären könnte. Auch die Tatsache, dass die "Wetterfühligkeit" auch schon vorher auftritt, obwohl sich die Wettersituation vor Ort noch gar nicht geändert hat, ist durch die Ausbreitungseigenschaften der elektromagetischen Wellen plausibel.
Auch wenn die biotrope Wirkung der Sferics nicht allgemein wiss. anerkannt ist, die Bedeutung für die Vorhersage von Wetterfronten in der Hochseeschifffahrt war in den 1980er Jahren, als die Satelliten gestützten Wettermodelle noch nicht so genau waren, sehr groß.
Ich hatte damals Hans Baumer bei der Entwicklung eines kompakten Sferics-Detektors für die Hochseeschifffahrt untersützt, der vielfach mit Erfolg eingesetzt wurde.

Im rechten Diagramm sind Häufigkeiten der Spektralanteile von 38810 gemessenen Impulsen in den Jahren 1980 bis 1984 dargestellt.  
(Quelle: Baumer, Sönning 2002)


CD-Sferics a.t.B. (AIS) Impulsspektren und deren Herkunft (Auszug):

•10 kHz und horizontaler Luftströmung unter überwiegend stabiler Luftschichtung,
•28 kHz und hochreichender Vertikalturbulenz bei labiler Luftschichtung,
•10+8 kHz und Zufuhr wärmerer Luft, z.B. erwärmter Meeresluft polaren Ursprungs,
•10+8+4 kHz und verstärkter Zufuhr z.B. subtropischer Warmluft vor Warmfronten
•10+12 kHz und Zufuhr kälterer Luft, z.B. polarmaritimer Luftmassen an Frontrückseiten,
•10+6+12 kHz und Zufuhr labil geschichteter Kaltluftmassen aus nördlichen Breiten.
 Konzept Versuchsaufbau Sferics-RX
Prinzipschema Sferics-RX
In einem ersten Ansatz soll das Frequenzspektrum von 0...30 kHz erst mal in zwei Bänder getrennt detektiert werden. Und zwar In das 10kHz und in das 28kHz-Band.
Obiges Blockschaltbild gibt die Signalverarbeitung für den Sferics-RX wieder. Von der Antenne bzw. Magnetfeldsensor wird die induzierte Klemmenspannung verstärkt und dann teilt sich der Signalweg auf und wird zum einen über einen aktiven 2-stufigen Tiefpassfilter (0...14 kHz) geführt und nochmals mit ca. 20dB verstärkt. Zum anderen über ein aktives 3-stufiges Bandpass-Filter (15...30 kHz) welches den Spektralbereich um 28 kHz ausfiltern soll. Beide Filterausgänge gehen getrennt auf eine einfache Peak-Hold-Schaltung die über einen Kondensator das Signal für eine bestimmte Zeitkonstante halten, damit der Microcontroller die Spannungen abtasten kann. Zusätzlich wurde noch nachträglich für beide Bänder getrennt eine LED-Bargraph-Anzeige mit vorgesehen.
Der Arduino Controller hat einen integrierte LoRaWAN Schnittstelle, die auf 868 MHz konfiguriert ist. Die Daten werden alle 2 Minuten gesendet. Die Messages werden regelmäßig von zwei im Umkreis von 10 km entferneten LoRaWAN Gateways empfangen, die mit dem TTN (The Things Network) Server verbunden sind. Auf dem eigenen Server läuft ein VB-Script, der in Abstand von 2 Minuten die neuesten Daten vom TTN-Server Storage abholt, konvertiert und archiviert. Ein Anwendungsprogramm, dass für die Visualisierung von Wetterdaten konzipiert wurde, importiert zusätzlich die Daten und stellt diese auf einem Webserver zusammen mit Daten der eigenen Wetterstation am Standort und auch mit der Wetterstation des HamNet-Umsetzers DB0KS (http://db0ks.dc2mp.de) am Söllereck (1200 ü.NN) zur Verfügung.
Versuchsaufbau

Versuchsanordnung im FreienAufbau Sferics-RXDer praktische Versuchsaufbau ist in diesen Bildern zu sehen. Der Sferics-RX wird zunächst einfach hinter der Garage aufgestellt. Die Magnetfeld-Spule ist einfach an einem Ausleger (Kunststoff-Rohr) aufgehängt und das Solar-Power-Pack grob nach Süd-Osten ausgerichtet.

Der Empfänger ist in einem wetterfesten Kunstoff-Gehäuse untergebracht mit Sichtdeckel, damit die Betriebs-LED's und die LED-Bargraph sichtbar sind.

Die Eingangsimpedanz des Empfängers liegt bei ca. 2 kOhm, mit nur leichter Frequenzabhängigkeit.

Die LiPO Backup-Batterie wird von der integrierten Power-Management Funktion des Arduino MKR WAN 1310 geladen und übernimmt bei Ausfall der autarken Stromversorgung des Solar-Moduls für eine kurze Zeitspanne die Versorgung des Microcontrollers um noch den Ausfall melden zu können.

 

Stromversorgung des Sferics-RX:
Um einen autarken Betrieb des Sferics-RX zu gewährleisten wird ein einfaches Solar-Power-Pack verwendet.  

Material    Monokristallines Silizium, Hartglas, ABS-Kunststoff

Produktabmessungen  16,5 x 2,5 x 16,5 cm

Outdoor-Schutzart  IP65

Schnittstelle    USB-Stromversorgungs-Kabel USB-A auf Mini-C

Power-Pack Akku   6 Ah

Ausgangsspannung/Strom  5Vdc / 1A

Montage  Mastmontage mit Kabelbinder

 Leider hat sich herausgestellt, dass die Kapazität des Power-Packs nicht ausreicht, um längere Zeitspannen von Tagen mit bedecktem Heimmel und Nächten zu überbrücken!
Es muß also noch an einer besseren Lösung gearbeitet werden.		 Solar-Power-Pack 
Backup-Akku:
Als Backup wird ein handelsüblicher LiPO Akku verwendet. Der Akku hat eine Nennspannung von 3,7V verwendet.
Der Arduino Microcontroller MKR WAN besitzt eine integrierte Power-Management Funktion, der den direkten Anschluss des Akku am Board ermöglicht. Der Akku wird automatisch wenn die Hauptversorgung mit 5V vorhanden ist geladen und übernimmt bei Ausfall die Versorgung des Controllers mit 3,3V für eine gewisse Zeit.
 
Die Überbrückungszeit des der LiPO Backup Batterie hängt im wesentlichen auch von der Hauptversorgung ab. Ist diese schwach, dann wird der Akku nicht ausreichend geladen. Außerdem sind die LiPO empfindlich gegen Tiefentladung und erreichen dann kaum noch die erforderliche Kapazität.    
 Backup-Akku LiPo 

Microcontroller zur Daten-Erfassung und LoRa WAN Kommunikation   
Arduion MKR WAN 1310Mit dem Arduino MKR WAN 1310 hatte ich schon beim Aufbau einer USV für den HamNet-Umsetzer DB0KS auf dem Söllereck bei Oberstdorf sehr gute Erfahrungen gesammelt. Der Controller läuft dort seit  2021 problemlos und sendet alle 5 Minuten die Betriebsdaten.
Für schnelle Signale ist die Geschwindigkeit des Controllers zwar nicht berauschend, aber dadurch, dass die Empfangenen Impulse durch eine Peak-Hold Schaltung kurzeitig gehalten werden, genügt das vollauf.

Der Controller hat mehrere Digitale und analoge Eingänge und digitale Ausgänge. Gebraucht werden hier nur drei analoge Eingänge.

A1 = Signalamplitude 10 kHz Band
A2 = Signalamplitude 28 kHz Band
A3 = Versorgungsspannung vom Solar-Power-Pack
Zum Schutz der analogen Eingänge muss allerdings eine Z-Diode am Eingang über einen Schutzwiderstand verbaut werden. Die Versorgungsspannung von 5V muss über einen Spannungsteiler, der grob kalibriert ist, geführt werden.

Der MKR WAN hat ein LoRaWan Modul, welches hier auf den Bereich Europa 863-870 MHz (SF12 for RX2) Spec. 1.0.2 konfiguriert ist.
Der Controller sampled die mit einem geschätzten Abtastintervall von ca. 200 Microsekunden die zwei Signaleingänge ab und speichert jeweils den höchsten Wert solange ab, bis 2 Minuten abgelaufen sind. Danach wird noch die Versorgungsspannung abgetastet, die Eingangssignalwerte über die Kalibrierfaktoren auf die Einheit der Magnetflussdichte in NanoTesla konvertiert und in die Payload Message gepackt und abgesendet. Die Gateways in der Umgebung sind mit dem TTN Server (Sandbox) verbunden.
 
Datenflussplan:
Datenflussskizze Sfercis-RX LoRaWAN und Webseite
Anzeige der Daten auf der Webseite der Wetterstation (http://db0ks.dc2mp.de/WX)

Erscheinungsbild Webseite der aktuellen DatenErscheinungsbild Webseite der archivierten Daten Tageswerte

 

Links ist das Outfit der Daten der letzten 24h im Diagramm dargestellt. Rechts das Outfit der Archivdaten jeweils für einen Tag und zusätzlich gibt es eine Darstellung der Diagramme über eine ganze Woche. In den Archivdaten ist auch die parallel gemessene Betriebspannung zu sehen.
Es gibt auch eine Druckansicht und die Möglichkeit die Daten auch als CSV-Datei herunterzuladen.

 Direkter Link zu den Daten: Sferics-RX  

 
Magnetfeld-Sensor (Loop Antenne) 
Die Sferics Impulse sind VLF Wellen wo die magnetische Komponente dominierend ist. Selbstverständlich wären auch Langdraht-Antennen möglich. In diesem Fall war es einen Versuch Wert mit einer magnetischen Spule als Sensor zu arbeiten.
Grundsätzlich ist die von einem magnetischen Wechselfeld induzierte Leerlaufspannung in einer flachen Spule linear proportional der Magnetflussdichte und der Frequenz in der Spule. Umso stärker je größer die umschlossene Fläche und die Anzahl der Windungen.
 Prinzipskizze Magnetfeldsensor als flache Spule
Um nicht zu viele einzelne Windungen wickeln zu müssen, habe ich ein mehradriges nicht abgeschirmtes und nicht verdrilltes Steuerkabel verwendet und die einzelnen Adern an den Kabelenden so miteinander verbunden, dass durchgehende Wicklungen entstehen. Die erste Ader und die letzte jeweils herausgeführt. Das Steuerkabel selbst ist noch einmal in mehrere Schleifen gelegt.
Zur mechanischen Stabilisierung sind die Kabelschleifen an einen Hula Hoop Reifen aus Kunstoff mit Kabelbinder befestigt.
Das Steuerkabel hat in diesem Fall 10 Adern und mit den 9 Schleifen ergibt sich eine Spule mit 90 Windungen. Der Reifendurchmesser hat 80 cm, das ergibt eine umschlossene Fläche von ca. 0,5 qm.
Versuchsanordnung Magnetfeld-Spule
Das ganze sieht dann so aus, wie im Foto rechts zu sehen ist.
Die erste und letzte Ader ist jeweils mit einer BNC Buchse verbunden und wird über Koax-Kabel (RG58) an den Eingang des Sferics-RX angeschlossen.

Theoretisch ist die induzierte Leerlauf-spannung U0 [V] von der Magnetflussdichte
B [T] und der Frequenz f [Hz] abhängig. Als Multiplikator dienen die baulichen Eigenschaften der Antenne (bzw. Magnetspule) mit der Windungszahl N und dem Durchmesser D [m] der flachen Wicklung und damit der umschlossenen Fläche.  Der Zusammenhang zwischen Magnetflussdichte und der magnetischen Feldstärke H [A/m] ist durch die Permeabilität des freien Raumes und der relativen Permeabilität gegeben. Letztere ist im Fall der Luftspule gleich 1.





Elektrische Eigenschaften des Magnetfeld-Sensors:
Nach der Theorie könnte man annehmen, je mehr umschlossene Fläche und je mehr Windungen, desto mehr Antennenspannung. Leider ist die induzierte Leerlaufspannung nicht das, was man an der Eingangs-Klemme des Empfängers bekommt.
Ersatzschaltbild Magnetfeld-SpuleRechts ist ein vereinfachtes Ersatzschaltbild für den Magnetfeld-Sensor als Luftspule dargestellt. Die Klemmenspannung UK [V] ist dabei von der Eingangsimpedanz des Empfängers und der Impedanz der Spule abhängig. Letztere setzt sich zusammen aus dem frequenzunabhängigen Gleichstromwiderstand der Kabelwicklungen, der frequenzabhängigen Impedanz der Induktivität und der frequenzabhängigen Impedanz der parasitären Kapazität. Die parasitäre Kapazität der Spule ist unerwünscht und ergibt sich zwangsläufig aus der Geometrie und der Isolation der Kabelwicklungen etc.. Die parasitäre Kapazität wäre sehr kompliziert theoretisch zu berechnen.
Im Prinzip lassen sich diese Eigenschaften relativ einfach entweder mit Hilfe eines VNA (soweit für den niedrigen Frequenzbereich geeignet) oder mit Hilfe eines bekannten Messwiderstandes, einem Signalgenerator und einem 2-Kanal-Oscillograph ausmessen. 
Näherungsformel der Induktivität einer flachen Luftspule
Die Induktivität L in [H] kann mit einer Näherungsformel auch theoretisch abgeschätzt werden:
Dabei geht die Wicklungszahl N, der Durchmesser der Spule DL [m], sowie der Durchmesser des Wicklungsdrahtes dD [m] ein.
Da man die gesamte Impedanz der Magnetfeld-Spule kaum komplett theoretisch berechnet werden kann, habe ich sie mittels Signalgenerator, Messwiderstand und 2-Kanal-Oscillograph ausgemessen. Diagramm Impedanz der Magnetfeld-Spule versus Frequenz
Das Ergebnis sieht folgendermaßen aus: 
Wie man sieht, liegt noch innerhalb des interessierenden Bereichs von 0...30kHz eine deutliche Resonanzstelle. Das ist der parasitären Kapazität geschuldet.
Das ist im Prinzip ungünstig, sollte doch die Impedanz möglichst im interessierenden Frequenzbereich und im Verhältnis zur Eingangsimpedanz des RX möglichst geringe Frequenzabhängigkeit zeigen.
Unterhalb der Resonanzfrequenz dominiert die Induktivität und der Gleichstromwiderstand. Oberhalb der Resonanz dominiert die parasitäre Kapazität.
Aus dem Messungen läßt sich grob die tatsächliche Induktivität und die parasitäre Kapazität quantitativ bestimmen:

Meßergebnisse der Loop:

Wirkwiderstand:   ca. 27,5 Ω

Induktivität:           ca. 23 mH

paras. Kapazität:  ca. 1,2 nF

 

Fazit:

Es muß also noch an einer besseren Lösung gearbeitet werden.

 
Kalbrierung der Magnetfeld-Sonde
Wie bereits erwähnt, ist die in der Magnetspule induzierte Spannung proportional zur Magnetflussdichte und zur Frequenz. Leider ist aber die induzierte Leerlaufspannung nicht direkt abgreifbar.
Da auch die Impedanz der Spule frequenzabhängig ist und die einzelnen Impulse in diesem Fall nur grob in zwei Frequenzbänder eingeteilt werden, muss man in sehr grober Näherung mit einer mittleren Impedanz in den beiden Frequenzbändern ausgehen.
Aus den mittleren Impedanzen kann man dann die Eingangs-Klemmenspannung am Empfänger ermitteln in Abhängigkeit von der Magnetflussdichte - hier ebenfalls mit der Mittenfrequenz der beiden Bänder.
Für den Betrag der Amplitude der Eingangs-Klemmenspannung UK in Abhängigkeit der Quellen-Leerlaufspannung U0 und der Klemmen-Impendanz (Eingangs-Impedanz und parasitäre Kapazität) ZK sowie der Impedanz ZL der Magnetfeld-Spule (jeweils für die mittlere Frequenz der Filter-Bänder) gilt:    Diagramm Eingangs-Klemmenspannung versus Magnetflussdichte
Formel Eingangs-Klemmenspannung aus induzierter Quellenspannung









Das Ergebnis sieht dann folgendermaßen aus: 

Da es sich um Impulse handelt und die Peak-Hold Schaltung über eine Zeitkonstante läuft, muss die Bewertung der Verstärkung der Filter zusammen mit Peak-Hold anders ermittelt werden, also über ein Sinus-Signal. Dazu wird als Testsignal jeweils eine gedämpfte Schwingung mit der jeweiligen mittleren Frequenz verwendet. Aus den Tests ergibt sich dann ein äquivalenter Verstärkungsfaktor im 10 kHz Band von ca. 106 (40dB) und im 28 kHz Bereich ca. 35 (31 dB).
Daraus ergibt sich dann der Faktor für die Umrechnung der am Peak-Hold anstehenden Spannung in Magnetflussdicht [nT].
DCF77 als Referenz:
Der Zeitdienst DCF77 ist nahezu überall zu empfangen. Durch die Tatsache, dass eine ständige Empfangstation des vom DARC betriebenen ENAMS System direkt an meinem Home-QTH installiert ist, besteht die möglichkeit einer absoluten Referenz mit bekannter Feldstärke. ENAMS misst die elektrische Feldstärke im Bereich 50 kHz bis 30 MHz kontinuierlich mit einer Genauigkeit von 1dB. In diesem Fall kann man näherungsweise von Fernfeldbedingungen ausgehen und die elektrische Feldstärke in magnetische Feldstärke und damit in Magnetflussdichte umrechnen.
Die elektrische Feldstärke ist nahezu konstant am Standort mit +60dBuV/m zu empfangen. Über folgende Formel kann dann die Magnetflussdichte des Umrechnung elektr. Feldstärke in MagnetflussdichteSendersignals bei 77,5 kHz berechnet werden.
Die Magnetflussdichte beträgt in diesem Fall ca. 3,3 pT.


Mit einem angeschlossenen Messempfänger RSP2Plus kann dann die Eingangs-Amplitude am Eingangswiderstand von 50 Ohm gemessen werden. Dann muss aber noch über die zuvor gemessene Spulenimpedanz und Eingangsimpedanz des Messempfängers auf die induzierte Leerlaufspannung zurückgerechnet werden. Daraus läßt sich dann die Eigenschaften der Magnetfeld-Spule abschätzen und auf die Eingangs-Klemmenspannung des Sferics-RX bei 10 und 28 kHz schließen.Formel Leerlaufspannung aus Referenzsignal
Aus der Umkehrung der obigen Formel kann auf die Quellenspannung geschlossen werden und daraus dann die Eigenschaften des Sensors (als Antennenfaktor AF) ermitteln.

    
 

Links zu weiterführenden Informationen: