La détermination de la direction d'arrivée et de la polarisation des atmosphériques siffleurs - Première partie : Les dispositifs expérimentaux

Abstract
The explanations which have been put forward to account for whistling atmospherics are based upon the magneto-ionic theory and suggest a peculiar mode of propagation of very low frequency electromagnetic waves along the lines of force of the earth's magnetic field through the feebly ionized regions of the outer atmosphere. That fraction of the energy radiated upwards by a lightning stroke which survives the crossing of the ionospheric layers, travels along the lines of force and returns to the earth surface in the opposite hemisphere. The high dispersion attached to that mode of propagation accounts for the whistling effect (Storey, 1953). As a check to the foregoing theory, we tried to determine the directions of arrival of whistlers, which should make a rather small angle with the direction of the magnetic field, and their polarization which is related through a magneto-ionic formula to that angle. The directions of arrival are determined by measuring the time lag between the signals induced by whistlers in two pairs of identical aerials located at the ends of two perpendicular bases. Microwave radio links are used to re-transmit the induced signals. The "projected " polarization is obtained from two vertical crossed loops, and the plane wave polarization can be deduced provided the direction of arrival is known. Various considerations led to the choice of a selective apparatus. Time lag measurements are then ordinary phase lag measurements. A frequency of 5 500 cps has been selected because the amplitude of whistlers is for most of the time large in that part of the spectrum, while the level of long distance atmospherics is low. The signals induced in the aerials are fed to high gain, wide band, low noise amplifiers with stable and identical characteristics, and after being re-transmitted over radio links, to selective amplifiers with identical phase characteristics and a convenient bandwidth to obtain the best response to a signal varying in tone according to the law most often observed. The voltages corresponding to the crossed loops are then applied to a " polarization " oscilloscope. The signal corresponding to the ends of each base are fed to a phase comparator which instantaneously displays the phase lag as the slope of a straight or slightly elliptic pattern on an oscilloscope. A continuous motion slow speed camera photographs simultaneously the polarization oscilloscope and the two phase oscilloscopes to which convenient blanking voltages are applied. Fields tests of the equipment led to successive alterations of the set-up. Phase correcting networks were introduced and the " polarization " section of the equipment had to be separated from the " directions of arrival " section. The resùlts obtained and their interpretation will be discussed in another article.

Résumé
Les explications avancées pour rendre compte des atmosphériques appelés « siffleurs », se basent sur la théorie magnéto-ionique pour prévoir un mode de propagation particulier des ondes électromagnétiques de fréquence très basse le long des lignes de force du champ magnétique terrestre et à travers les milieux faiblement ionisés de la très haute atmosphère. La portion de l'énergie rayonnée vers le haut par un éclair et survivant aux traversées des couches ionosphériques est canalisée par les lignes de force et ramenée avec une atténuation assez faible à la surface du globe dans l'autre hémisphère. La dispersion importante liée à ce mode de propagation produit un effet de sifflement caractéristique (Storey, 1953). On a cherché à confirmer cette théorie en déterminant expérimentalement les directions d'arrivée des siffleurs qui doivent faire un angle assez faible avec celle du champ magnétique terrestre, et leur polarisation qui est liée par une formule magnéto-ionique à cet angle. La direction d'arrivée est déterminée par la mesure des retards entre les signaux engendrés par un siffleur dans deux paires d'aériens identiques placés aux extrémités de deux bases perpendiculaires. Des relais hertziens sur ondes centimétriques sont utilisés pour retransmettre les signaux captés. La polarisation « en projection » est donnée par deux cadres verticaux perpendiculaires et la polarisation dans le plan d'onde s'en déduit si l'on connaît la direction d'arrivée. Diverses considérations ont conduit à utiliser un appareillage sélectif. Les mesures de retard sont alors ramenées à des mesures de déphasages. La fréquence 5 500 c/s a été choisie parce que les siffleurs y présentent à peu près toujours une amplitude importante tandis que le fond des atmosphériques lointains n'a qu'une amplitude faible. Les signaux captés par les aériens sont amplifiés par des amplificateurs basse fréquence de gain 80 dB à faible bruit de fond, identiques et stables, puis après retransmission éventuelle par relais hertziens, par des amplificateurs sélectifs dont les caractéristiques de phase sont semblables et dont la largeur de bande est choisie pour obtenir la meilleure réponse aux variations de fréquence dans le temps le plus fréquemment observées. Les tensions amplifiées provenant des deux cadres croisés sont appliquées à un oscillographe dit de polarisation. Les tensions engendrées aux deux extrémités de chaque base sont appliquées à un circuit qui afriche instantanément le déphasage sur un oscillographe sous la forme de l'inclinaison d'une droite ou d'une ellipse très aplatie. Une caméra à déroulement continu lent photographie simultanément l'oscillographe de polarisation et les deux oscillographes de déphasages auxquels une modulation de brillance particulière est appliquée. Les essais sur le terrain ont conduit à modifier à plusieurs reprises l'ensemble de mesures. Des circuits correcteurs de phase ont été introduits et on a dû séparer les parties « directions d'arrivée » et « polarisation » de l'appareillage. Les résultats obtenus et leur interprétation feront l'objet d'un second article.