Térhullámnak nevezzük azt a rádiófrekvenciás terjedési módot, amelyben részt vesz az ionoszféra rádióhullámokra gyakorolt visszaverő hatása. Ennek a terjedési módnak a felhasználásával nagy távolságok hidalhatók át.
A reflexió sohasem veszteségmentes, ezért a visszavert térhullámoknál mindig kisebb-nagyobb járulékos csillapítással kell számolni. Az ionoszféra csillapítása frekvenciafüggő: a kisebb frekvenciák csillapítása nagyobb, mint a nagyobb frekvenciáké.
1902-ben Oliver Heaviside feltételezte először, hogy az ionoszférában létezik egy ma Kennelly-Heaviside réteg néven ismert felület aminek hullámvezető tulajdonságai vannak. Ennek a hullámvezető felületnek a létezése teszi lehetővé, hogy a rövidhullámú rádióhullámok erről a rétegről többször visszaverődve nagy távolságra eljussanak a Föld felszíne fölött haladva. Az ionoszféra létezését kísérletileg mintegy húsz évvel később, 1923-ban igazolták.
Az ionoszféra hatása a rádióhullámokra bélyegkép|Az ionoszféra méretarányos ábrája A rádióhullámok terjedési sebessége (vi) az ionoszférában valamivel nagyobb, mint a troposzférában és lényegében az elektronkoncentráció és a frekvencia függvénye:
k – egy időben változó tényező N – az elektronkoncentráció (e/m3) f – a frekvencia (Hz) c fénysebesség (m/s)
Az N és a k értékei időben változnak, aktuális értékei leolvashatóak ITT. bélyegkép|Ionoszféra hatása különböző szögekben beérkező rádióhullámokra (E2 réteg) Az összefüggésből látható, hogy az N elektronkoncentráció növekedésével – adott frekvencián-a terjedési sebesség is növekszik. Ha a hullámhomlok nem merőlegesen, hanem 90°-nál kisebb szöggel lép be az ionoszférába, a hullámhomlok felső része "gyorsabb", mint az alsó része. Az eltérő terjedési sebesség következtében a terjedési irány megtörik és elegendő nagy elektronkoncentráció esetén a hullám a Föld felé visszaverődik.
A jelenséggel kapcsolatosan az alábbi összefüggések érvényesek
Minél nagyobb az üzemi frekvencia, annál nagyobb elektronkoncentráció szükséges a reflexió feltételeinek biztosítására. A térhullám visszaverődése a Föld felé annál könnyebben valósul meg, minél laposabban lép be az ionoszférába.
Kritikus frekvencia (fkr) az a legnagyobb frekvencia, amely az ionoszférát merőlegesen elérve még visszaverődik. A φ belépési szög függvényében meghatározható a felső üzemi határfrekvencia, a MUF (angolból: Maximal Usable Frequency). A MUF és kritikus frekvencia közötti összefüggés:
fkr – kritikus frekvencia φ – belépési szög Θ – kisugárzási szög
A visszavert rádióhullám visszatérési távolságának becslése tökéletes tükrözést feltételezve Kiindulási értékek:
φ – a kisugárzás vertikális szöge lr – a visszaverő réteg talaj fölötti magassága km-ben (E=120 F1=250 F2=300) r – a Föld sugara km-ben (6 371)
Először kiszámítjuk a β törési szöget:
, illetve ha radiánban számolunk
Kiszámítjuk a kisugárzás és a beérkezés közti navigációs szöget (γ):
Végül megkapjuk az l távolságot km-ben:
347x347px
A képlet néhány értékre kiszámolva, az l értéke km-ben: +RétegKisugárzási szög0204060808589E150710557034041316513F131352197146484124713727F2375826351756100932916532 A távolságok számolhatóak az alábbi programmal is:#include <stdio.h> #include <math.h>
// compile: gcc terhullam.c -lm -o terhullam
float lr_E=120; float lr_F1=250; float lr_F2=300; float r=6371.797;
float fok2rad(float fok){return (M_PI*fok)/180;}
float RXTX_length(float phi, float lr){ float beta=(M_PI/2)-phi; float gamma=atan((2*tan(beta/2)*lr)/r); return gamma*r*2*M_PI; }
void main(){ float phi; printf("A sugárzás magassági szöge (°):");scanf("%f",&phi); phi=fok2rad(phi); printf("A visszaverődés távolsága az ionoszféra rétegeiről:\n"); printf(" E: %f km\n",RXTX_length(phi,lr_E)); printf("F1: %f km\n",RXTX_length(phi,lr_F1)); printf("F2: %f km\n",RXTX_length(phi,lr_F2)); }Jobb becslést eredményez, ha a visszaverődés szögének fluktuációjával is számolunk. ebben az esetben kiegészíthetjük a programot:... float RXTX_length_f(float phi, float flu, float lr){ float beta=(M_PI/2)-phi; beta=flu*beta; float gamma=atan((2*tan(beta/2)*lr)/r); return gamma*r*2*M_PI; } ... void main(){ ... printf("A visszaverődés távolsága beta fluktuációval számolva:\n"); printf(" E: %f - %f km\n",RXTX_length_f(phi,b1,lr_E),RXTX_length_f(phi,b2,lr_E)); printf("F1: %f - %f km\n",RXTX_length_f(phi,b1,lr_F1),RXTX_length_f(phi,b2,lr_F1)); printf("F2: %f - %f km\n",RXTX_length_f(phi,b1,lr_F2),RXTX_length_f(phi,b2,lr_F2)); ...Példa:
20° magassági szögben sugárzunk ki rádióhullámot, és 30%-os (0.3) szórást feltételezünk. A programot futtatva ezt kapjuk: DESKTOP:~/src/RF$ ./terhullam A sugárzás magassági szöge (°):20 beta fluktuáció (0-0.99):0.3 A visszaverődés távolsága az ionoszféra rétegeiről: E: 1055.643433 km F1: 2197.557129 km F2: 2635.905029 km A visszaverődés távolsága beta fluktuációval számolva: E: 687.151489 - 1533.764893 km F1: 1431.096436 - 3190.138672 km F2: 1716.993896 - 3824.611816 kmTehát ha az F2 rétegről tételezünk fel visszaverődést, akkor a legvalószínűbb, hogy kb. 2600 km-re ér vissza a felszínre a kisugárzott jel. Ha feltételezzük, hogy csak az F2 rétegről van visszaverődés, ezzel a sugárzási szöggel a legvalószínűbb, hogy kb. 1700 és 3800 km közötti távolságban tudunk összeköttetést létesíteni.
Terjedés többszörös visszaverődéssel bélyegkép|Térhullámú terjedés többszörös visszaverődéssel Többszörös terjedés akkor fordul elő, amikor a Föld azon pontján lép be a rádióhullám az ionoszférába, ahol a szürkületi időben megszűnik az F2 réteg. Ilyenkor előfordulhat, hogy a legyengülőben lévő E rétegen áthatol a hullám és az F rétegről verődik vissza. Az innen visszavert hullám az E réteg egy erősebben visszaverő részére irányul, ahonnan ismét visszaverődik az F2 rétegre. A hullám a 2 réteg között oda-visszaverődve terjed, mindaddig, amíg az E réteg olyan pontjára nem kerül, ami már kevésbé visszaverő hatású, és így ismét visszajut a talajra.
Ilyenkor létrejöhet olyan hatás, hogy a Föld azon pontján lép be, ahol napnyugta van, végigpattog a nappali oldalon, és ott érkezik a talaj irányába, ahol napkelte van, vagy fordított irányban. Kelet-nyugat irányban ez azon a félgömbön történik így, amelyen tél van, és a rövid nappalok miatt gyenge, vagy hiányzik az F1 réteg.
Jellemző még a szürkületi zónák vonalán is ez a terjedés, észak-dél irányban, vagy fordítva.
A napkeltekor végbemenő ionizáció, és a napnyugta időszakában bekövetkező rekombináció területileg nem egyenletes, ezekben a zónákban szigetszerűen keletkeznek, illetve szűnnek meg az ionoszféra adott rétegei. A folyamat véletlenszerű, így az is véletlenszerű, hogy mely irányokban van ilyen módon terjedés.
Az ionoszférát befolyásoló külső hatások
A Napból érkező ionizáló sugárzások A Napból érkező ionizáló sugárzások a légkört alkotó gázokat ionizálják. Az ionizáció mértéke függ az ionizáló sugárzás energiájától, az ionizáló sugárzás hullámhosszától, és a gázok anyagi minőségétől. Az légkört alkotó gázok ionizációját kiváltó hullámhosszokat és az ionizációt kiváltó energiákat az alábbi táblázat foglalja össze: +GázO2ON2NHeH2HNOλkr (nm)102.69179.58550,380,291134eUkr (eV)12.213.615.514.524.615.413,69.25 A nappali órákban a Nap sugárzásának hatására különböző magasságokban 4 ionizált réteg keletkezik:
D réteg 60 – 80 km E réteg 100 – 120 km F1 réteg 189 – 200 km F2 réteg 250 – 450 km
Naplemente után félbeszakad az új elektronok képződési folyamata, megkezdődik a rekombinációs folyamat, amely időben hamar végbemegy, különösen a légkör alsóbb, sűrűbb rétegeiben. Ez a magyarázata a D réteg naplemente utáni gyors eltünésének.
Szintén gyorsan eltűnik az F1 réteg is. Az éjszakai órákban az ionoszféra csak két rétegből áll, az E és az F2 rétegekből.
Napfoltciklus A napfoltok 11.3 éves ciklusa leginkább a 12 – 30 MHz-es frekvenciatartományban folyásolják be a terjedést. Ebben a tartományban napfoltmentes időszakban nincs használható ionoszférikus terjedés. Ez 3 ~ 4 éves időszak, ilyenkor távolsági összeköttetések ezeken a sávokon nem hozhatók létre.
Napfoltmentes időszakokban kevesebb ionizáló UV és röntgensugárzás éri az ionoszférát, így nem tud kialakulni az F rétegeken a visszaverődéshez szükséges ionkoncentráció.
Mögel-Dillinger hatás Egyes rövidhullámú frekvenciákon hirtelen, rövid időre megszűnik az ionoszféra visszaverő rétege. Általában az 5 – 30 MHz közti tartományban szokott bekövetkezni, nem hat ki a teljes rövidhullámra, időtartama 15perc és 1 óra között alakul. A rádióamatőrök "holt negyedórának" nevezik. A jelenség Nap felületén végbemenő intenzív hidrogénkitörésekkel van összefüggésben.
Koronakidobódás
Amikor a kidobódott anyag eléri a Földet, az ionoszférikus terjedés teljesen megszűnik. Ez az elhalkulás kihathat a teljes rövidhullámú sávra, akár 1 ~ 2 napig, a kidobódás mértékétől függően. Ezután nagyon erős ionoszférikus terjedések következnek, több napig, a kidobódás mértékétől függően. Ez a felerősödés kihathat akár az URH tartományra is. Ilyenkor URH-n is létesíthetőek több ezer km-es összeköttetések, igaz, csak rövid ideig, instabil térerősséggel, és véletlenszerű irányokba. Pár nap, maximum 1 hét alatt visszaállnak az időszakra jellemző terjedési viszonyok.
Az ionoszférát befolyásoló légköri hatások
Légköri turbulencia A légtömegek turbulens mozgásának hatására az F2 rétegből töltött részecskék áramlanak lefelé, az E rétegbe, ennek hatására az E réteg töltése az adott helyen jelentősen megnövekszik. Ezt a megnövekedett ionkoncentrációval rendelkező részt sporadikus E rétegnek (ES) nevezzük. A sporadikus E réteg kiterjedése néhány 100 m-től néhányszor 10 km-ig terjed. Vízszintes mozgást is végez, aminek sebessége akár 300 km/s is lehet.
A sporadikus réteg megjelenése véletlenszerű, nem előrejelezhető jelenség. A fennállási ideje tág határok között változik, általában nem haladja meg a néhány órás értéket.
A sporadikus E réteg ionkoncentrációja olyan mértékű, hogy visszaverő hatást gyakorol az URH tartományú rádióhullámokra is.
Az ionoszférát befolyásoló geofizikai hatások
A földmágnesség változása A Föld mágneses terének ingadozása az ionoszféra ionizációjában olyan változást okoz, ami a rádióhullámok visszaverődéskori polarizációs-szög változását eredményezi. Ez a zavar mindig egész sávtartományokat érint, ezért a jelátvitelben torzítást nem okoz, csak elhalkulást.
Az ionoszféra ionizált tartományainak lényeges jellemzői +A jellemző megnevezéseD rétegE rétegF1 rétegF2 rétegKeletkezési mód A NO Lα vonal kisugárzása útján való ionizációja Valamennyi gáz ionizációja a lágy röntgensugárzás útjánValamennyi gáz ionizációja a lágy röntgensugárzás útjánAz oxigén ionizációja a rekombinációs tényezőnek a magasság függvényében való gyors csökkenése mellett.Az oxigén ionizációja lágy UV, röntgen és korpuszkiláris sugárzás által.Magasság (km) Nappal 60-90 Éjszaka eltűnik95 – 120 Nappal 180 – 240 Éjszaka eltűnik230 – 240Molekuláris sűrűség (1/cm3)1014 -10165*1011 – 101310111010Ionkoncentráció (1/cm3) Nappal: 106 – 108 Éjjel: 0 Nappal: 1*105 – 4*105 Éjjel: 5*103 – 1042*105 – 4.5*105 Téli napon: 3*105 Nyári napon:2*106 Télen éjszaka: 2*105Ütközési frekvencia (1/s)10-7105104103 – 104Rekombinációs tényező (cm3/s)10-5 – 10-7 Nappal: 10-7 Éjjel: 10-84*10-9 Nappal: 8*10-11 Éjjel: 3*10-11
A térhullámú terjedés gyakorlatban használt paraméterei
Kritikus frekvencia Függőlegesen sugároznak az ionoszféra felé rövid impulzusokat és detektálják a visszaverődést. A visszaverődési időből azt is kiszámíthatjuk, hogy milyen rétegről verődött vissza. A frekvencia növekedésével ez a visszaverődés egy pont elérésekor már a következő rétegről jön vissza, majd egy pont elérésekor már a világűrbe sugárzódik ki, azaz a visszaverődés megszűnik.
Legmagasabb használható frekvencia