Naukowiec AGH kieruje pracami nad unikatowym systemem radiolokacji

Dr hab. Andrzej Kułak z Katedry Elektroniki kieruje zespołem projektowo-badawczym, który opracował system WERA – nowy międzykontynentalny system radiolokacji, pracujący w zakresie ELF i służący do pomiarów wyładowań atmosferycznych na Ziemi.

Polski globalny system radiolokacji WERA (World ELF Radiolocation Array) wykorzystujący fale elektromagnetyczne ekstremalnie niskich częstości (ELF – Extremely Low Frequency) składa się z trzech stacji pomiarowych. Pierwsza z nich – Hylaty działa nieprzerwanie od 2005 r. w Bieszczadach. Kolejną jest stacja Hugo zainstalowana w 2015 r. w Colorado (USA). W dniu 27 marca 2016 r. uruchomiono stację pomiarową Patagonia w Rio Gallegos w Argentynie. Połączenie danych z trzech stacji z różnych części świata pozwoli m.in. na precyzyjną lokalizację badanych zjawisk atmosferycznych, m.in. olbrzymich wyładowań elektrycznych do jonosfery ziemskiej.

System WERA jest efektem projektu realizowanego przez Krakowski Zespół ELF. Kieruje nim dr Andrzej Kułak z AGH, a w jego skład wchodzą: dr inż. Janusz Młynarczyk z Katedry Elektroniki AGH, prof. dr hab. Michał Ostrowski, dr Vladimir Marchenko, dr Adam Michalec, dr Zenon Nieckarz, dr Stanisław Zięba i inż. Jerzy Kubisz z Uniwersytetu Jagiellońskiego oraz dr Michał Dyrda z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN.

WERA pracuje w sposób ciągły w zakresie częstotliwości od 0.03 do 300 Hz. Dzięki bardzo małemu tłumieniu fal ELF system zapewnia lokalizację oraz pomiar parametrów naturalnych źródeł fal na całej powierzchni Ziemi. Wysoką klasę systemu zapewniają autonomiczne stacje pomiarowe, zasilane wewnętrznymi źródłami energii, umieszczone w obszarach niezamieszkałych, o bardzo małym poziomie zakłóceń cywilizacyjnych i elektromagnetycznych (stacje nie mają połączenia z internetem). 

Budowę systemu poprzedziły wieloletnie badania zespołu w zakresie modelowania propagacji fal ELF we wnęce Ziemia-jonosfera oraz poszukiwania nowych metod analizy sygnałów. Od 1994 r. w zespole budowano własną aparaturę badawczą ELF, dzięki czemu opracowano szereg zaawansowanych technologicznie generacji anten i układów odbiorczych. W wyniku wieloletnich obserwacji przeprowadzono szereg pionierskich badań w dziedzinie analizy wpływu aktywności Słońca na stan wnęki (2003 r.), mapowania centrów burzowych (lata 2006–2009) oraz badania parametrów źródeł w oparciu o analizę impulsów pola ELF (lata 2010–2015). Obecnie zespół krakowski jest jednym z najbardziej zaawansowanych w tego rodzaju badaniach na świecie. 

Badania prowadzone przy pomocy systemu WERA mają charakter interdyscyplinarny i znajdują zastosowanie w kilku dziedzinach nauki. Przede wszystkim, dzięki równoczesnym obserwacjom przy pomocy trzech stacji zjawiska rezonansu Schumanna, możliwe jest mapowanie i oraz pomiar w jednostkach absolutnych zmiennej w czasie globalnej aktywności burzowej, w skalach od minut, aż do wielu lat. Pozwala to na prowadzenie dokładnych analiz o charakterze geofizycznym, jak i meteorologicznym oraz klimatycznym. Badania te mogą odegrać ważną role w pomiarach i prognozowaniu efektu cieplarnianego na Ziemi. Wielopunktowy pomiar rezonansu Schumanna umożliwia ponadto precyzyjne badania modeli wnęki Ziemia-jonosfera oraz modelowanie wpływu różnych form aktywności Słońca na stan dolnych warstw jonosfery ziemskiej.

Analiza form falowych impulsów pola ELF docierających do stacji pozwala na kompleksowe badania przebiegu rzadko występujących na Ziemi wyładowań atmosferycznych. Należy do nich mało znana klasa szczególnie silnych wyładowań dodatnich chmura-grunt oraz potężne kilkudziesięciokilometrowe wyładowania pomiędzy chmurami a jonosferą, którym towarzyszą zjawiska optyczne typu SPRITE i wielkie dżety GJ (Gigantic Jet). Unikatową cechą systemu jest możliwość pomiaru szeregu parametrów wyładowań, niedostępnych w innych istniejących systemach śledzenia wyładowań pracujących w zakresie VLF (Very Low Frequency).

Trzy stacje systemu WERA biorą udział w badaniu wpływu ziemskich zakłóceń elektromagnetycznych na precyzyjne pomiary detektorów fal grawitacyjnych LIGO w USA i VIRGO we Włoszech.

Od 1999 r. do roku bieżącego prace Krakowskiego Zespołu ELF prowadzone były w ramach pięciu projektów finansowanych przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego oraz Narodowe Centrum Nauki.

Optymalna lokalizacja stacji na trzech kontynentach stała się możliwa dzięki realizacji projektu Harmonia Narodowego Centrum Nauki razem z partnerami amerykańskimi. Są nimi: Earle Williams z Massachusetts Institute of Technology, Marek Golkowski z University of Colorado oraz Eduardo J. Quel – dyrektor Unidad de Investigacion y Desarrollo Estrategico Para Defensa w Buenos Aires. 

Strona internetowa Krakowskiego Zespołu ELF.

Stacja Hugo
Pierwsze momenty instalacji stacji w rezerwacie Hugo. Fale elektromagnetyczne ELF wnikają głęboko w głąb gruntu, co pozwala na umieszczanie anten i aparatury odbiorczej pod ziemią. Zapobiega to bezpośrednim wpływom meteorologicznym oraz chroni stację przed ingerencją ludzi i zwierząt. 

Stacja Hugo
Ustawianie anten zgodnie z siatką geograficzną świata. Poprawność procedury sprawdza dr inż. Janusz Młynarczyk z AGH. W instalacji stacji Hugo uczestniczyło sześcioro studentów dr Marka Gołkowskiego z Department of Electrical, Computer and Energy Engineering University of Colorado, którzy włączyli się do badań fal ELF.

Stacja Hugo
Moduł odbiorczy stacji Hugo tuż przed zakopaniem. Znajduje się on w odległości kilkudziesięciu metrów od anten, tak by pola biologiczne obsługujących ją osób nie zakłócały pomiarów (np. pole magnetyczne akcji serca). Wsród członków ekspedycji: inż. Jerzy Kubisz (pierwszy z lewej), dr Janusz Młynarczyk (trzeci z lewej) i dr Marek Gołkowski (trzeci z prawej).