Propagation of LF and VLF waves and their use for monitoring space weather events

Banys, Daniela ORCID

Electromagnetic waves with wavelengths from 1 to 100 km, or correspondingly in the frequency range between 3 and 300 kHz, are denoted by low frequencies (LF) and very low frequencies (VLF). Their signal propagation is determined significantly by the state of the ionosphere. Only because of its predominating electrical conductivity it is possible to receive (V)LF signals of powerful transmitters on the whole globe. Hence, VLF and LF measurements contain useful information about the ionosphere, in particular about its bottomside, the D layer in 60 − 90 km altitude. The ionosphere is subject to diurnal and seasonal variations. Moreover, there are geographic dependencies, which are in general ascribed to influences of the Sun. Primarily, extreme ultraviolet (EUV) and X-ray radiation determine the electron density distribution of the ionosphere. Therefore, especially irregular events visible in the X-ray range, e.g. solar flares, can cause a sudden enhancement of the D-region ionisation, and as a result, change the propagation characteristics of VLF signals on the dayside Earth. This manifests in significantly changing amplitudes and phases of propagating signals. Severe events can even interrupt specific signals and can cause a loss of lock.

Lang- und Längstwellen (in Englisch: LF - low frequencies, VLF - very low frequencies) bezeichnen elektromagnetische Wellen mit einer Wellenlänge von ca. 1 bis 100 km und liegen dementsprechend in einem Frequenzbereich zwischen 3 und 300 kHz. Ihre Signalausbreitung ist maßgeblich bestimmt durch den Zustand der Ionosphäre. Nur durch die dort vorherrschende elektrische Leitfähigkeit ist es möglich, die niederfrequenten Signale starker Sender auf der gesamten Erde zu empfangen. Somit bergen VLF-Messungen nützliche Informationen über die Ionosphäre, insbesondere über deren Unterkante, der D-Schicht in 60 bis 90 km Höhe. Die Ionosphäre ist täglichen und jahreszeitlichen Änderungen unterworfen. Sie zeigt zudem geographische Abhängigkeiten, die gröÿtenteils auf den Einfluss der Sonne zurückzuführen sind. Vor allem solare Strahlung im extrem ultravioletten (EUV) und Röntgenbereich bestimmt die Elektronendichteverteilung in der Ionosphäre. Somit bewirken insbesondere irreguläre Ereignisse im Röntgenbereich wie Sonneneruptionen (sog. solare Flares) eine abrupte Erhöhung der Ionisation der D-Schicht und verändern infolgedessen die Ausbreitungseigenschaften von VLF-Signalen auf der Tagseite der Erde. Dies äußert sich in einer signifikanten Änderung von Amplitude und Phase. Starke Ereignisse können bestimmte Signale sogar kurzzeitig auslöschen und so zu einem Signalverlust führen.

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Banys, Daniela: Propagation of LF and VLF waves and their use for monitoring space weather events. 2017.

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