Měření zemních proudů

Velice zajímavým způsobem poslechu nízkofrekvenčních signálů je využití galvanické vazby a měření zemních proudů. Pomocí jednoduchého diferenciálního zesilovače a dvou stejných elektrod v zemi lze postavit citlivý a směrový přijímač. V zemi tečou stejnosměrné bludné proudy a střídavé proudy různých frekvencí. Nejsilnější složky těchto proudů pochází z elektrické distribuční sítě a trakčních rozvodů. Kromě nich lze v zemi najít slabší střídavé proudy, které vznikají elektrickou indukcí primárních magnetických polí, například dopadající elektromagnetickou vlnou nebo změnou magnetického pole Země. Tyto proudy vytváří sekundární magnetická pole a šíří se dál. Střídavá magnetická pole nízkých kmitočtů v závislosti na frekvenci a rozložení vodivosti země pronikají do značné hloubky. Hloubka vniku magnetického pole se na frekvenci 30 kHz pohybuje v desítkách metrů, ale na frekvenci 3 Hz již jde o jednotky kilometrů. Díky tomu se pásmo VDV (velmi dlouhých vln) používá například pro komunikaci a navigaci ponorek. Strategický význam této jednosměrné a díky úzké šířce pásma pomalé komunikace je dobře ztvárněn ve filmu Krvavý příliv.

Na obrázku výše je jednoduché zapojení diferenciálního zesilovače s využitím běžně dostupného dvojitého operačního zesilovače TL082 typu JFET. Napěťové zesílení A=10 je dané hodnotou použitých rezistorů a je konstantní v celém rozsahu VDV až po stejnosměrnou složku. Vstupní odpor diferenciální zesilovače je 20 kohm. Zesilovač zesiluje pouze rozdílový potenciál elektrod v zemi. Z tohoto důvodu musí být použité elektrody stejné a musí být umístěny mimo jiné kovové předměty v zemi (stejnosměrný potenciál obou elektrod se odečte). Já jsem použil dva běžně dostupné pozinkované dráty s okem, které lze koupit ve stavebninách nebo železářství (průměr 4 mm, délka 250 mm). Elektrody v zemi fungují jako proudový bočník. Čím větší je vzdálenost elektrod, tím větší je rozdílové napětí a také se zlepší poměr signálu k šumu. Z hlediska dálkového příjmu stanic v pásmu VDV jde o směrový systém s maximálním ziskem na obě strany pomyslné spojnice elektrod. Zajímavý teoretický rozbor "zemního dipólu" postaveného ze dvou zemních elektrod si lze přečíst na stránkách IK1QFK. Na přívodech každé elektrody je použit koaxiální kabel RG174U o průměru 3 mm a délky 10 m. Stínění obou kabelů je spojeno s umělým středem napájecí baterie na straně zesilovače.

Na obrázku výše je experimentální sestava pro měření zemních proudů. Na výstup zesilovače lze připojit sluchátka nebo pomocí stíněného kabelu spojit výstup zesilovače se vstupem mikrofonu notebooku a přijímané spektrum kmitočtů zpracovat třeba volně dostupným programem Spectrum Lab od DL4YHF. V systémovém nastavení mikrofonu musí být vypnut předzesilovač a všechny softwarové úpravy signálu. Je-li k dispozici, je lepší použít linkový vstup. Dále je vhodné nastavit nejvyšší vzorkovací frekvenci a pro záznam do souboru použít bezeztrátový formát dat, například WAV.

Pro příjem slabých signálů je potřeba vyrazit daleko od všech elektrických vedení. Ideální je vlhká měkká půda, kam lze dobře zapíchnout elektrody, například les nebo louka. Porost, údolí, jeskyně a dokonce ani klidná vodní hladina nevadí. Každé místo má své specifické vlastnosti, které stojí za průzkum. Doporučuji také prostudovat přijímač nízkofrekvenčních magnetických polí a přijímač nízkofrekvenčních elektrických polí. Ve fotogalerii níže jsou snímky frekvenčního spektra zachycené tímto přijímačem.

Popis snímků:

1. Lokalita Hradecké lesy, Králův stůl. Vliv směru pomyslné spojnice elektrod na sílu přijímaných signálů. Na snímku jsou čtyři záznamy s azimutem elektrod 0, 45, 90 a 135 stupňů. Vodorovné čáry jsou signály vysílačů vojenské komunikace a navigace. Poloha známých vysílačů je k nalezení na Internetu v dokumentu „ELF-VLF-GUIDE“ a také je součástí databáze programu Spectrum Lab od DL4YHF. Například ze směru 45 stupňů jsou na frekvenci 22,2 kHz dobře znatelné signály japonského vysílače NDT umístěného v lokátoru PM52jb. Pro správnou orientaci elektrod je možné vygenerovat směrovou mapu světa třeba na stránkách NS6T.

2. Lokalita Hradecké lesy, Králův stůl. Vodorovné čárky v horní části jsou signály ruského navigačního systému RSDN-20 „Alpha“. Systém používá tři vysílače z různých lokalit. Z fázového rozdílu signálů může být určena poloha přijímače na zemi i pod vodou. Na konci roku 2017 však signály RSDN-20 utichly. Vertikální čáry jsou impulsní signály vzdálených blesků. Jeden z nich je prohnutý a zní jako pomalu klesající tón. Jde o takzvaný Whistler, kdy signál vzdáleného blesku projde ionosférou a šíří se vesmírem po magnetických siločárách Země z jednoho pólu na druhý. Průchodem plasmasférou a magnetosférou dochází k jeho disperzi, kdy s klesající frekvencí klesá rychlost šíření signálu.

3. Lokalita Josefovské louky. Horizontální čáry jsou harmonické kmitočty elektrické distribuční sítě (násobky 50 Hz) a na nich je superponovaný kmitočet telegramu HDO (systém hromadného dálkového ovládání). Na snímku je celý telegram ZPA I-I 64 s, který začíná delším startovacím impulsem 2,33 s a kratšími datovými impulsy.

4. Lokalita Lochenice, asi 300 m od trati Hradec Králové – Jaroměř. Jedná se o trakční stejnosměrnou soustavu 3 kV. Měnící se signály různých frekvencí souvisí s řízením pohonů moderních vlaků na trati (zastavení, rozjezd). Signály jsou slyšitelné až do vzdálenosti 2 km od trati, přičemž vlak může být mnohem dál.

5. Lokalita Hradecké lesy, Klusánky. Zaznamenaný Whistler na obrázku trval asi 3 s a zde si ho můžete poslechnout. Doporučuji použít kvalitní sluchátka a hledat hvizd v šumu. Během záznamu přicházel jeden hvizd za druhým. To umožnilo najít nejlepší orientaci elektrod ve směru S-J. Zaznamenané hvizdy pocházely nejspíš od blesků v Jižní Africe. Dobré podmínky pro poslech hvizdů jsou v zimním období, kdy je na jižní polokouli vyšší bouřková aktivita než u nás. Princip vzniku hvizdů je popsán u druhého snímku. Více se lze dozvědět na stránkách projektu INSPIRE nebo v přednášce Jaroslava Chuma „Vlny v okolí Země“.

6. Lokalita Orlické hory, Anenský vrch. Na obrázku je část frekvenčního spektra VLF vysílačů. Jde o digitální modulace FSK (Frequency Shift Keying) a MSK (Minimum Shift Keying). Z tvaru frekvenčního spektra lze odhadnout parametry modulace a demodulací získat binární signál. Přenášené informace jsou kódované, ale některé vysílače občas vyšlou identifikační znaky pomocí Morseovy abecedy (na obrázku vysílač RDL na frekvenci 21,1 kHz – FSK 75 Hz). Dále například silný vysílač HWU z Francie na frekvenci 18,3 kHz – MSK 200 Hz BW.