Radiopropagatie 2
We hebben nu de ionosfeer leren kennen, die onontbeerlijk is voor de voortplanting van radiogolven rond de aardbol.
Hierna vatten we de belangrijkste eigenschappen van de verschillende ionosfeerlagen nog eens samen.
| D-laag | E-laag | F1-laag | F2-laag (F-laag) | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| hoogte (km) | hoogte (km) | fc (MHz) | hoogte (km) | fc (MHz) | hoogte (km) | fc (MHz) | |
| Winternacht, hoge z.a.* | - | - | - | - | - | (300) | (3) |
| Winterdag, hoge z.a. | 70 | 120 | 2,5 | 200 | 3 | 230 | 13 |
| Zomernacht, hoge z.a. | - | - | - | - | - | (300) | (4) |
| Zomerdag, hoge z.a. | 60 | 110 | 3,3 | 220 | 4,5 | 380 | 5 |
| Winternacht, lage z.a. | - | - | - | - | - | (280) | (2,5) |
| Winterdag, lage z.a. | 70 | 120 | 2,1 | 200 | 3,5 | 230 | 6 |
| Zomernacht, lage z.a. | - | - | - | - | - | (260) | (3) |
| Zomerdag, lage z.a. | 60 | 110 | 3,3 | 220 | 4,5 | 350 | 5 |
* z.a. = zonne-activiteit.
| D-laag | E-laag | F1-laag | F2-laag |
|---|---|---|---|
| hoogste ionisatiegraad om 12 uur plaatselijke tijd. | hoogste ionisatiegraad en dus hoogste fc om 12 uur plaatselijke tijd. | als E-laag | als E-laag |
| verdwijnt geheel als de zon ondergaat | verdwijnt grotendeels als de zon ondergaat | wordt in de F2-laag opgenomen als de zon ondergaat | laagste ionisatie graad tegen zonsopkomst |
| 's zomers sterker geïoniseerd dan 's winters | 's zomers sterker geïoniseerd en dus hogere fc dan 's winters | als E-laag | 's winters overdag hogere fc dan 's zomers overdag |
| sterke absorptie | - | bijna ideaal reflectievlak. | als F1-laag |
Radioverbindingen
Tot nu toe is steeds gesproken over verticaal opgestraalde radiogolven, dat wil zeggen: met een "opstraalhoek" van 90°. Bij radiocommunicatie past men veel kleinere opstraalhoeken toe.
Als men - bij een bepaalde ionosfeerlaag - de opstraalhoek voortdurend verlaagt, stijgt de frequentie, die nog wordt gereflecteerd, steeds verder boven de kritische frequentie (zie fig. 4). Bij een vaak toegepaste opstraalhoek van 50 à 100 is de nog bruikbare frequentie ongeveer drie maal de kritische frequentie.
Fig. 4.
Bij deze minimale opstraalhoek is de grootste afstand, die men via de F2-laag kan overbruggen, ongeveer 4000 km. Men spreekt hierbij van een sprong of hop. Grotere afstanden kan men slechts met meerdere sprongen overbruggen.
Men spreekt dan van een "multiple-hop"-verbinding.
Als men - in tegenstelling tot hierboven - de opstraalhoek θ (theta) voortdurend laat toenemen, terwijl de zenderfrequentie constant blijft op b.v. 2 fc, dan komt er een hoek θc, waarbij de radiogolf nog juist wordt gereflecteerd. Bij een iets grotere opstraalhoek dan θc, schiet de radiogolf door de ionosfeerlaag heen. Op kortere afstand dan punt O in fig. 5 kan men het zendersignaal derhalve niet via de ionosfeer ontvangen. Men noemt dit de "skip-afstand". Dan is evenwel ontvangst mogelijk door middel van de grondgolf. Zoals de naam al zegt, beweegt de grondgolf zich langs de aardbodem voort.
Fig. 5.
Zij is vrijwel onafhankelijk van dagelijkse en seizoenvariaties. Zij induceert stromen in de aarde, die daar aanleiding geven tot aanzienlijke verliezen: in de grond meer dan in de zee, in steden meer dan in landbouwgrond. Door die verliezen dooft de grondgolf snel uit, vooral bij hogere frequenties. Op een grotere afstand dan punt G in fig. 5 kan men dit zendersignaal evenmin ontvangen.
Het gebied tussen G en 0 noemt men daarom de dode zone of stiltezone (zie fig. 5).
Korte golf
Hiervoor zijn in hoofdzaak de F-lagen van belang. Zoals we hebben gezien, is er een bovengrens aan het bruikbare frequentiegebied, n.l. ongeveer drie maal de kritische frequentie. Dit noemt men de hoogste nog bruikbare frequentie ofwel maximum usable frequency (MUF).
In het algemeen is de MUF overdag (15 a 28 MHz) hoger dan 's nachts (4 a 10 MHz). Deze waarden hangen uiteraard of van het seizoen (zomer, winter) en van de zonne-activiteit: midden op een winterdag, als het zonnevlekkengetal hoog is, kan de MUF wel een waarde van 40 MHz bereiken. Nog hogere frequenties dringen vrijwel altijd door de ionosfeer been en kunnen daarom worden gebruikt voor communicatie met ruimtevaartuigen en voor verbindingen via communicatiesatellieten. Voor hoogfrequent-radiocommunicatie en hfomroep kiest men bij voorkeur frequenties die slechts weinig onder de MUF liggen, omdat - zoals we hebben opgemerkt - hoe hoger de frequentie is, des to minder de radiosignalen in de D-laag worden geabsorbeerd.
Aldus stelt de D-laag (alleen overdag) een ondergrens aan het bruikbare frequentiegebied. Deze wordt lowest useful high frequency (LUF) genoemd en ligt bij enkele MHz.
Middengolf
Radiogolven met lagere frequenties, dat wil zeggen met golflengten van ongeveer 100 m tot enkele km, worden in de D-laag praktisch volledig geabsorbeerd. In dit frequentiegebied is men overdag geheel aangewezen op de grondgolf. Hierbij nemen de verliezen of naarmate de frequentie lager en dus de golflengte groter wordt. Dit verklaart, waarom het bereik van de middengolfomroepstations overdag zo beperkt is. 's Nachts, als de D-laag afwezig is, worden deze golven gereflecteerd door het nog aanwezige restje van de E-laag. In analogie met kortegolfreflectie tegen de F2-laag, gaat ook middengolfreflectie tegen de E-laag met weinig verliezen gepaard. Het afstandsbereik neemt 's nachts voor de middengolfzenders dan ook sterk toe.
Lange golf
Golflengten van ongeveer 10 km en meer reflecteren overdag onder tegen de D-laag en 's nachts tegen het nog aanwezige restant van de E-laag. Ook dit vindt zonder grote verliezen plaats. Bovendien ondervindt de grondgolf weinig verliezen. Daardoor is het afstandsbereik vele duizenden km. Van deze eigenschap heeft men een dankbaar gebruik gemaakt, toen men in 1923 een radioverbinding tussen Kootwijk en Bandoeng opende. De te overbruggen afstand was 12.00 km en de gebruikte golflengte ongeveer 17 km.
Frequentieverwachtingen
Zoals we hebben gezien, keren vele verschijnselen met betrekking tot de zon en de ionosfeer regelmatig terug. Daarom is het mogelijk, van maand tot maand frequentieverwachtingen op te stellen. Hierin worden voor iedere radioverbinding (b.v. Amsterdam-Curacao; Holland-Australie) in grafiekvorm onder meer de MUF en de LUF als functie van de middelbare Greenwichtijd (GMT) opgegeven, zoals in fig. 6 is weergegeven.
Fig. 6.
Uit deze figuur zien we, dat voor een bepaalde radioverbinding meerdere golflengten nodig zijn. Voor een noord-zuidverbinding geeft dat weinig moeilijkheden, maar een oost-westverbinding kan problemen opleveren, vooral indien de te overbruggen afstand groot is. Een deel van het traject kan dan in het duister zijn gehuld, terwill de rest door de zon wordt beschenen. Een dagfrequentie is dan onbruikbaar, omdat zij in het nachttraject door de ionosfeer heen dringt. Men is dus aangewezen op een nachtfrequentie, maar deze ondervindt in het dagtraject sterke demping. Daarom gebruikt men in zo'n geval antennes met een sterke bundeling en een zender van groot vermogen.
Fading
Dit is het verschijnsel, dat het ontvangen radiosignaal in sterkte varieert. Het wordt vaak veroorzaakt door twee radiogolven, die van dezelfde zender via verschillende wegen bij de ontvanger aankomen.
Als die twee wegen niet even lang zijn, zullen beide signalen niet in fase zijn; er ontstaat dan interferentie. Omdat de fasehoek voortdurend varieert, kunnen beide signalen elkaar versterken maar ook uitdoven. Die fasevariatie wordt veroorzaakt doordat de ionosfeer niet in rust is. De ionosfeerlagen verplaatsen zich onder invloed van atmosferische winden in de hogere regionen van de dampkring.
Dit verschijnsel is bekend als de "atmosferische drift". Als het verschil in weglengte verandert van nul tot een halve golflengte, dan verandert het faseverschil van 0° tot 180°, met het gevolg dat beide signalen elkaar befnvloeden van versterken tot uitdoven. Daardoor is deze fading zeer selectief en is zij bovendien afhankelijk van de plaats van ontvangst. Dit doet ons twee methoden aan de hand om de gevolgen van deze soort fading op to heffen:
- Frequency diversity", waarbij twee zenders met verschillende frequenties (en dus golflengten) het signaal uitzenden;
- "space diversity", waarbij twee ontvangantennes op geruime afstand van elkaar worden toegepast.
Het zal n.l. hoogst zelden voorkomen, dat op beide frequenties c.q. op de beide ontvangplaatsen tegelijkertijd de ontvangen signalen onbruikbaar zijn door fading.
Zonnevlam
We hebben reeds gezien, dat de zonne-activiteit sterk wisselt, hetgeen wordt veroorzaakt door de voortdurende uitbarstingen op de zon. Soms zijn dergelijke erupties veel sterker dan normaal. Dan wordt het zeer hete gas met zo'n grote snelheid uit het inwendige van de zon naar buiten geslingerd, dat het buiten de aantrekkingskracht van de zon terecht komt en in de ruimte vliegt.
De uitgestoten wolk van protonen en elektronen kan een snelheid bereiken van enkele duizenden kilometers. Werd zij in de richting van de aarde gestoten, dan bereikt zij deze na een à twee dagen.
Magnetische storm
Die stroom van geladen deeltjes - ook wel "corpusculaire straling"of "zonnewind"genoemd - gedraagt zich als een elektrische stroom en beihvloedt daardoor het aardmagnetische veld.
Dit uit zich in sterke schommelingen van het magnetische kompas.
Men spreekt dan van een magnetische storm. Het aardmagnetische veld op zijn beurt buigt de banen van de aanstormende protonen en elektronen af, waardoor ze aan de aardpolen zelfs tot 100 km hoogte in de ionosfeer doordringen en daar poollicht veroorzaken.
Ionosferische storm
Terwlil de geladen deeltjes door de ionosfeer snellen, beinvloeden zij deze op een wijze, die men nog niet heeft begrepen. De gevolgen zijn, dat de kritische frequentie fc en de MUF lager worden en dat verhoogde absorptie van radiogolven optreedt.
Men noemt dit geheel van verschijnselen een ionosferische storm.
Hierdoor wordt het radioverkeer via de ionosfeer ernstig bemoeilijkt, vooral de radioverbindingen die via het poolgebied lopen. Magnetische en ionosferische stormen kunnen dagen Lang aanhouden.
Ionosferische storing
Bij een zonnevlam treedt - behalve corpusculaire straling - ook een sterk verhoogde ioniserende straling op. Het daarbij uitgezonden spectrum bevat rontgenstraling met kortere golven dan normaal, dus "hardere" röntgenstralen. Deze straling kan dieper in de aardse atmosfeer doordringen, zodat de D-laag sterker dan normaal wordt gefoniseerd. Het ionisatiemaximum van deze laag daalt daarbij - van 60 a 70 km hoogte - tot zelfs wel 50 km. Het gevolg van deze extra-ionisatie is, dat de absorptie van radiogolven zeer sterk toeneemt, waardoor alle radioverbindingen via de ionosfeer plotseling en volledig uitvallen. Men noemt dit verschijnsel een SID (= sudden ionosferic disturbance), d.w.z. een plotseling optredende ionosferische storing. Oudere radiomensen spreken van een "Dellinger". Deze storing duurt, zolang de zonnevlam blijft bestaan, meestal enkele minuten, soms tot een half uur toe. Omdat een ionosferische storm en een Dellinger beide door een zonnevlam worden veroorzaakt, zal het duidelijk zijn, dat een Dellinger vaak de voorbode is van een ionosferische storm: enkele dagen na een Dellinger kan men nog meer radiostoringen verwachten.
Helaas is men nog niet in staat, een zonnevlam to voorspellen.