[2027] Lightning Distance

Title Text:The index of radio refraction does have a lot of variation, which might throw off your calculations, so you can also look at the difference in brightness between the visible flash and more-attenuated UV and x-rays.

Origin:https://xkcd.com/2027/

https://www.explainxkcd.com/wiki/index.php/2027:_Lightning_Distance

闪电距离

无线电折射指数有很大的变化,这可能会打乱你的计算,所以你也可以观察一下可见光和更弱的紫外线和x射线之间的亮度差异。

https://mp.weixin.qq.com/s/u2jNQ3M3YNUWDdH46gM6_A

确定闪电距离的常用技巧是计算从看到闪光灯到听到雷声时的秒数,然后除以5得到里程(或三到达公里)。这是因为光的传输在相关距离上基本上是瞬时的,而声速是331.2米/秒(1,087英尺/秒,1,192千米/小时,或741英里/小时,根据温度变化一点),或者约每秒1/5英里(每秒1/3公里)。

这部漫画通过让梅根描述一种非常不切实际的替代方法来颠覆通常的伎俩。梅根的方法是基于这样的事实,即包括光和无线电波的电磁辐射的速度并不是真正固定的,而是随折射介质中的波长而变化(考虑棱镜中可见光的经典情况)。地球上的闪电发出的电磁辐射也必须通过空气传播,空气以一定的频率改变其速度。

在波长为777nm的近红外可见光谱中,闪电最明显可见。对于波长为777nm,15℃下的空气折射率(n)为1.0002752,相当于光速为299,709,978m /s,给定关系n = c /v,其中c =光速真空和v =介质中的光速。

地面闪电产生频率从1 kHz到30 kHz的极低频无线电波,称为从电离层反弹的鸣笛,以及被称为sferics的更宽带发射。其中大部分存在于非常低频率的无线电波类别中,折射率的文献值难以确定。使用本文给出的公式,类似条件下无线电波的折射率为1.000315,相当于299698.0 km /s(或186223.7英里/秒)的光速。这意味着为了获得以千米为单位的距离,闪光和无线电爆发之间的时差应该乘以136亿(或英里的84.5亿)。

使用类似于用于无源雷达的设置,理论上可以使用这种效果来确定到可见光和无线电波的极短脉冲源的距离,尽管可能需要通过这种方式来补偿微小的效应时间。涉及相位检测或接收器谐波的技巧。大的不准确性可能会因气压,温度,电子密度,大气湿度,甚至接收器的局部温度的不一致而传播,这可能需要加以考虑。

这个笑话是对那些没有花时间进行无线电工程的人来说是不切实际的,因为他们没有听说过测量这么短的时间间隔(每公里或每英里0.1纳秒的规模),也因为他们不知道如何检测可见光谱外的辐射,这可以用20美元的无线电加密狗来完成。可能需要上变频器来测量低频细节,并且可能需要构建一个自己的环形天线以便首先拾取它们。对于尚未暴露于业余软件定义的无线电场景或专业硬件的人来说,很难使用这样的“经验法则”。

虽然闪电持续大约60到70微秒,但在此期间我们收到的信号会有些不规则地上升和下降,软件定义的无线电可以在此期间详细采样信号的相位和强度,并提供它的记录以供比较以不同的频率录制。更昂贵的无线电将使生活更容易,因为至少几GHz的采样率将允许使用信号的开始直接测量时间差异,而不是可能从不同频率的相位差推断。

出于笑话的目的,漫画中使用的“50亿”值是一个公平的估计,它也很好地参考了每英里5秒的原始规则,尽管根据实际情况(温度,结果会有很大的误差) ,湿度等),正如标题文本所暗示的那样(“无线电折射的指数确实有很多变化”)。

标题文本提出了另一种计算闪电距离的方法。由于光的吸收在不同波长下也是不同的,因此可以通过比较亮度而不是相对延迟来计算差异。然而,这将需要知道闪电的发射光谱和不同波长的衰减比(这两者都会随条件而变化)。

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