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＃發行日期：1994、05
＃期號：0293
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大自然的超長波無線電
【摘要】如果大自然讓人類耳朵的結構，可以聽得到電磁波而不是聲波（就算是可聽到的頻率範圍不變，也就是大約在20Hz到20kHz左右）那麼我們的耳朵所聽到的，將會是一些古怪的聲音。這些聲音包括了合聲、噓聲、嗡聲及口哨聲，可能還有人為訊號。
故事應回溯到第一次世界大戰時的歐洲，當時前線皆以電話為主要通訊工具。隨後真空管誕生，高放大倍數的電子線路繼之問世。兩軍交戰，兵不厭詐，雙方情報人員皆利用此一新穎發明來截聽敵方通訊。但當時電子技術剛起步，在截聽的過程中，耳機內會傳來奇怪的聲音，彷彿受到干擾。
德國科學家巴考森（H.
Barkhausen）受命負責處理這種干擾，他沒能成功，但是這也引起他對這現象的興趣。所以他及一些志同道合的研究人員，抽絲剝繭，慢慢研究，直到1920年底，大家一致相信，這訊號應起因於打雷閃電。但是也在二、三十年後，也就是1950年代，這種因閃電所產生的口哨聲，才提出合理的機轉解釋。研究人員發現，閃電是一種極大規模的火花放電，它可以同時產生廣範圍頻譜的無線電波，頻率可以低到幾百Hz到幾MHz。但是後來發現，雖然頻譜很廣，但是很大部分的能量都集中在20kHz以下，也就是都在超長波範圍內。
合聲（chorus）：在超長波範圍內的自然磁電現象，有人懷疑除因地球發生的雷電外，也可能導因於外天體。由於其聲像似黎明時鳥叫，因此又被稱為「黎明合聲」。通常這種合聲是由多重的升音組合而成，每一音色的頻率從1.2kHz升到3.4kHz，而且時間通常維持0.1到0.5秒。
噓聲（hiss）：就像它的名稱一樣，由齒音延長所產生的亂步雜音，就是噓聲，這頻率在聲頻範圍內，通常可由連續的超長波產生。利用音電圖分析得知，噓聲的頻率約分布在2到30kHz。通常當南北極出現極光時，很容易出現「噓聲」。
嗡聲（tweeks）：一般相信，嗡聲是因地表層所造成的，超長波在地表與電離層所構成的導波管中，來回旅行，而成為嗡聲。這聲音聽來就是一種很純的音調，好像由樂器產生的單音。由許多的嗡聲，可能組合成「咻」聲，它像是劃空而過的子彈聲。
口哨聲（whistle）：超長波產生的口哨聲，很容易在夜晚及清晨之前這段期間聽到。而在中緯度地區（40°～55°）比較容易出現口哨聲。
上面這些都是什麼樣的聲音呢？它們是怎樣產生的？來自何處？要回答這一連串的問題，就要歸結到大自然產生的超長波。這大自然產生的電磁波頻率，與人類耳朵可以聽到的聲音頻率範圍一樣，但是人類的耳朵不能直接聽到電磁波。因為電磁波是以光速傳遞的，而不是以聲波速度傳遞，兩者特性不一樣。換句話說，人類耳朵可以聽到10kHz的聲波，但是不能聽到10kHz的電磁波。若要聽到這10kHz超長波訊號，就要和收聽一般無線電廣播一樣，須要利用超長波接收機。（相關資料，可參見《科學月刊》24卷12月號＜聽得見的微波＞一文。）
這些聲音連同一些複雜的干擾一起存在地球大氣層裡。實際上，他們的源頭是，由打雷閃電以及太陽光能量對地球大氣的充電所造成的，這些超長波訊號的頻率大多集中於幾Hz到幾百kHz之間。這段範圍的頻率，我們習慣上分成三段（見附表）。大多數地球大氣層內的雷電所產生的超長波，頻率是集中在5kHz，也就說是這頻率落在超低頻（VLF）上。
高頻，也就是俗稱的短波，它藉著地球上空的電離層折射，才能做遠距離通訊。地球上最低的電離層是D層，它離地表平均大約是80公里高，而這高度就相當於20公尺波段訊號的4000倍波長。但是對超長波來說，這高度只有在幾倍波長到一個波長不到的距離。例如，對於5kHz訊號而言，它的波長約60公里，這幾乎可以利用D電離層和地表形成這訊號的一個導波管。
有了這樣的認識之後，你也許會認為，波長這麼長的超長波訊號，所能傳送的距離一定不很遠，至少以傳統的電波傳導理論來看，的確如此。但是以前許多的觀察及實驗卻發現，超長波可以旅行很遠很遠；事實上，超長波可以從地球的一邊跑到對稱的另一邊，甚至來回跑了好幾趟。
高頻訊號從發射到接收之間，可能超過幾千公里。而超長波若發生長距離傳導時，超長波旅行的距離，從打雷處（也就是電波發射地）到接收的地方，大約超過幾十萬公里。而造成超長波遠距離旅行的傳導模式，並非是以往高頻所談的電離層，而是所謂磁動層（magnetosphere；在大氣層以上，主要由氦氣所組成的1500公里厚的帶狀區）。行星上（當然包括地球）的磁動層類似磁鐵的雙極，但是它的電流是流經離地幾千公里的電漿區。這電流就有點類似磁鐵貼著紙面下，而紙面上鐵粉所產生的馬蹄型分布。也就是說這磁動層是因為太陽風吹到地表，及地球以其軸心自轉所形成的。
從事大自然的超長波研究，可以得到相當豐富的資訊，所以目前許多相關的研究正展開中，包括超長波的傳導研究、電離層及磁動層電子密度的探討，及某些特殊地方雷電所產生的超長波。
目前地球上，除了大自然外，超長波也有人為產生的，比如美國海軍的潛艇通訊、航海及航空導航用的OMEGA訊號。這些人為的超長波訊號，頻率大都是在10kHz到40kHz之間。這些隨時可以掌握的超長波，若配合大自然產生的超長波，兩者結合，有助於了解超長波的傳導特性。
大自然超長波口哨聲訊號聽起來不但有趣，它也含有豐富的奧密資訊。基本上超長波口哨聲也是由雷電所產生的。一般來說，打雷產生的電波，可以分成兩個事件進行，一個是生命周期比較短的電波，它由打雷處產生後，藉由地表─電離層間形成的的導波管，傳送開來，一般稱為大氣無線電波（atmospherics）。第二個事件就是所謂的口哨聲無線電波，大自然超長波在大氣層內由雷電產生後，直破電離層，抵達磁動層後，隨著地球磁場進入相當窄的磁導層，抵達地球另一面之後，這超長波又穿過電離層，再回到地表──電離層間形成的導波管內，再傳散開來（見圖一）。像上述這種傳導行程，叫做「單程」（one-hop）口哨聲超長波，你可以發現它比大氣無線電波被延遲的時間長了許多。而所謂的「雙程」（two-hop）口哨聲，就是指這超長波來回磁動層兩次，而進到大氣層後再傳開來。在大氣層下，這種一來一回的傳導可以進行很多次，甚至可以達到幾百次。而超長波口哨聲的長短，就由雷電發生大氣無線電波地方，及接收到時的跳躍次數來決定（見圖二）。把口哨聲超長波引導到地球另一對面大氣層內的導管，通常是在大氣層與地磁的介面交接處。所以北半球的口哨聲超長波傳到南半球時，會在對稱的位置返回大氣層。而由於磁動層導管傳遞的超長波，從物理特性可以得知，經過了幾千公里之後，在同一地點，頻率比較高的訊號會先到，而頻率比較低的訊號，會稍後再抵達。所以跳躍程數越多，頻率高低在時間上分開越厲害。這很像一部大自然的頻譜分析儀。若是能精確地分析這頻率的擴散情況，便可以清楚地知道口哨聲超長波的傳導路徑，以及口哨聲的頻譜結構。所以除了可以享受到監聽口哨聲外，還可以了解到電離層及磁動層的成分，包括它們的電子及離子密度、電子溫度等。
要研究超長波口哨聲現象，最重要的是，要能夠同時兩相距數百公里，甚至上千公里的兩地，同時記錄下超長波的口哨聲現像。這樣就可以把兩遠地所記錄下來的口哨聲做音電圖的比較及分析。例如，單程的口哨聲超長波，必須要至少兩次穿過電離層，在一地穿過電離層後，而在另一地由磁動層折返並穿過電離層而進入到大氣層來。在兩相距頗遠的地方所記錄下來的同一超長波口哨聲，經由頻譜分析比較，可以得到波形的變化結果。其中最容易了解，也最引人注意的是，假如比較這些記錄下來的口哨聲頻譜，發現某個頻率成分不見了，這或許是因為超長波從電離層出口離開時，某些頻率被衰減或吸收掉了。從這頻譜上找出那些頻率成分不見了，可以判斷出，是那一電離層（D、E、或F）把這頻率吸收走了。又例如，若是這口哨聲超長波穿過灰色帶（白天與黑夜交差區）上空的D電離層，就可以透過超長波，來了解該電離層當時的電子及離子密度。通常D電離層在白天才存在。圖三所示，是超長波口哨聲監聽及分析系統。基本的組合包括：超長波接收機，接收天線、精確參考時間及一部立體聲錄音機或錄放影機。其中立體聲的左右聲帶分別存錄監聽到的口哨聲及參考時間。這參考時間是為了兩相距很遠地方所做的監聽記錄，要分析時，可以有個依據。時間可以直接取用標準時間發播台的訊號。超長波接收機可以自製，而分析系統也不難，利用個人電腦及聲霸卡與適用的軟體就可以了。
令人印象很深刻的是，在1992年一次太空梭任務中，進行了一次名為「美國太空總署太空物理學的電離層交互影響實驗」（簡稱INSPIRE；係Interactive
NASA Space Physics Ionosphere
Experiments的縮寫）的試驗。那次實驗的目的是希望能夠收集並整理出一些有關超常波（VLF）的電波傳導。當年三月太空梭在飛行中以電子發射方式發出一功率7千瓦的一超長波訊號，讓地球上各角落的愛好者接收，收聽報告匯集之後，可望分析出有關超長波的傳導結論。超長波傳導結論可以說是一門新的研究領域，而大自然的雷電現象可以是走入此項領域的出發點。
參考資料：
1. David Schneider, Mother Nature's Radio.
2. Jim Ericson, Project Inspire: A VLF Space Shuttle Experiment.
林茂榮為醫學工程師，現任職於中華民國業餘無線電促進會
林培正 譯
每年農夫生產的乾草除了掩埋或焚燒外，想要適當處理也是一項頭痛的問題。單單在英國，每年農夫就製造約1000萬噸的乾草，其中400萬噸用作苗圃和飼養動物之用，其餘的600萬噸不是掩埋就是當作柴火燒。然而在環保問題日益嚴重之下，目前歐洲法律已經明令禁止焚燒乾草，可是如果不焚燒，這些乾草要如何消化掉？現在已經沒問題了！我們可以用來製造酒精。
一種由遺傳工程製造出的很有效率的細菌已經被發現了，它不但可以解決乾草過多的難題，而且還可以製造出成本較低的酒精，這種從乾草堆中製造出的酒精可能會成為汽油的便宜代用品，或者用作汽油的添加物，農夫們將可因為生產乾草而獲利不少。
這種新的細菌是由巴格黑－亞茲帝（N.
Baghaei-Yazdi）和英國倫敦帝國學院的一個研究組共同開發出來的，並且已取得專利權。傳統上，想要用酒精作為汽車動力來源並不合乎經濟效益﹐因為酒精一般都是以酵母菌作為發酵菌，從發酵到純化酒精﹐這個過程費時費事；如果再加上從酵母菌所作用的原料生產量、運輸等成本都計算在內﹐難怪用這種高價位酒精作為汽車燃料太不划算了。由遺傳工程開發出的新細菌則相對地有許多優點，這種稱作Bacillus
stearotheromophilus的細菌﹐因為會消化乾草中的半纖維素（hemicellulose）﹐所以從植物纖維中轉換成酒精的能量就較酵母菌為多。半纖維約占植物總質量的1/3，因此它的能量轉換效率比酵母菌多了30％；其次，它是一種嗜熱性細菌，在消化乾草之後所產生的熱不會妨礙發酵繼續進行，而且還會讓發酵槽保持在70℃左右，這樣子更能輕易地把酒精揮發出來，只要稍加真空抽氣並冷卻凝結，那麼所獲得的酒精，既容易取得，成本又低，實在是便宜又大碗哩！
（取材自New Scientist. 2 April. 1994）
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