Térhullám

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.

Az ionoszféra hatása a rádióhullámokra

Az ionoszféra méretarányos ábrája

A rádióhullámok terjedési sebessége (v_i) az ionoszférában valamivel nagyobb, mint a troposzférában és lényegében az elektronkoncentráció és a frekvencia függvénye:

$v_{i}={\frac {c}{\sqrt {1-k{\biggl (}{\frac {N}{f^{2}}}{\biggr )}}}}$

• k – egy állandó tényező
• N – az elektronkoncentráció (e/cm³)
• f – a frekvencia (Hz)
• c fénysebesség (m/s)

Az N és a k értékei időben változnak, aktuális értékei leolvashatóak ITT.

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

1. Minél nagyobb az üzemi frekvencia, annál nagyobb elektronkoncentráció szükséges a reflexió feltételeinek biztosítására.
2. A térhullám visszaverődése a Föld felé annál könnyebben valósul meg, minél laposabban lép be az ionoszférába.

Kritikus frekvencia (f_kr) 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:

$MUF={\frac {f_{kr}}{\sin \Theta }}$

$MUF=f_{kr}sin{\phi }$

• f_kr – 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:

$\beta =90-\phi$

Kiszámítjuk a kisugárzás és a beérkezés közti navigációs szöget (γ):

$\gamma =atan{\frac {2\tan {\biggl (}{{\frac {\beta }{2}}{\biggr )}l_{r}}}{r}}$

Végül megkapjuk az l távolságot:

$l={\frac {\gamma r}{360}}$

A képlet néhány értékre kiszámolva, az l értéke km-ben:

Réteg	Kisugárzási szög
	0	20	40	60	80	85	89
E	1883	1319	878	505	164	82	16
F1	3135	2197	1464	841	247	137	27
F2	3758	2635	1756	1009	329	165	32

Terjedés többszörös visszaverődéssel

Térhullámú terjedés többszörös visszaverődéssel

Többszörös terjedés akkor fordul elő, amikor a Föld azon pontján lép be a rádióhullám az ionoszférába, ahol a szürkületi időben meszűnik 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:

Gáz	O2	O	N2	N	He	H2	H	NO
λkr (nm)	102.6	91	79.5	85	50,3	80,2	91	134
eUkr (eV)	12.2	13.6	15.5	14.5	24.6	15.4	13,6	9.25

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

1. 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.
2. 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.
3. 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 (E_S) 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 megnevezése	D réteg	E réteg	F1 réteg	F2 réteg
Keletkezési mód	A NO Lα vonal kisugárzása útján való ionizációja Valamennyi gáz ionizációja a lágy röntgensugárzás útján	Valamennyi gáz ionizációja a lágy röntgensugárzás útján	Az 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 eltűnik	95 – 120	Nappal 180 – 240 Éjszaka eltűnik	230 – 240
Molekuláris sűrűség (1/cm3)	1014 -1016	5*1011 – 1013	1011	1010
Ionkoncentráció (1/cm3)	Nappal: 106 – 108 Éjjel: 0	Nappal: 1*105 – 4*105 Éjjel: 5*103 – 104	2*105 – 4.5*105	Téli napon: 3*105 Nyári napon:2*106 Télen éjszaka: 2*105
Ütközési frekvencia (1/s)	10-7	105	104	103 – 104
Rekombinációs tényező (cm3/s)	10-5 – 10-7	Nappal: 10-7 Éjjel: 10-8	4*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

(MUF, Maximal Usable Frequency): laposabb szögben sugározva az ionoszféra felé és a frekvenciát növelve egyre magasabban levő rétegekről verődik vissza a jelünk. A frekvenciát növelve lesz egy pont, ahol már a visszaverődés helyett jelentős mértékben kisugárzódik a világűrbe.

Legalacsonyabb használható frekvencia

(LUF, Lowest Usable Frequency, másik jelölése LUHF, Lowest Usable High Frequency): laposabb szögben sugározva az ionoszféra felé és a frekvenciát csökkentve az ionoszféra visszaverő képessége csökken, mivel a D réteg elnyelő hatása növekszik. Egy bizonyos ponton, ahol jelentőssé válik ez a D rétegbeli elnyelődés, ott húzunk meg egy határt, az a legalacsonyabb használható frekvencia. A LUF függ a napszaktól és sok egyéb tényezőtől. Ugyanakkor nem éles határ, a kimenő teljesítmény növelésével és keskenysávú üzemmódok használatával a LUF frekvenciája alacsonyabb értékü lesz. Azaz, hogy a visszaverődött jel a partnerállomáson vehető is legyen akkora effektív teljesítmény kell, ami ellentételezi az útvonalveszteséget, a vétel helyén lévő zajteljesítményt és eleget tesz a választott üzemmód jel-zaj viszonyának. Ez annyiban frekvenciafüggő, hogy minél magasabb a frekvencia, annál kisebb az effektív teljesítménnyel ellentételezendő veszteség és minél alacsonyabb a frekvencia, ez annál nagyobb. A LUF, ellentétbe a MUF-al, nem terjedési paraméter, hanem technikai.

Gyakorlati jelentősége

Az ionoszféra állandó változásban van, még azokban az időszakokban is, amikor amikor zavartalan, normális állapot áll fenn. A tükröző felület leginkább a hullámzó tenger felületéhez hasonlatos. Ebből következik térhullámokkal megvalósított összeköttetések térereje állandóan ingadozik. Az ingadozások a következő okokra vezethetők vissza:

• a vétel helyére különböző úton érkező hullámok interferenciája, interferencia fading
• a polarizáció irányának időbeli változása, polarizáció fading
• az ionizáció mértékének időbeli változása, villogó fading

Az ingadozások frekvenciaspektruma sem egyenletes, akár egy keskenysávú hangcsatorna spektruma is spektrális torzítást szenved. SSB hangátvitelnél ez a hangszín hullámzását okozza, AM hangátvitelnél pedig erős torzítást.

Összességében elmondhatjuk, hogy a térhullámok remek terepet biztosítanak beszédalapú és keskenysávú digitális jelátvitel számára. Ahhoz, hogy meghatározzuk, hogy adott irányba történő összeköttetésre, mikor, milyen frekvenciát használjunk, elengedhetetlen a térhullámok tulajdonságainak ismerete.

Források

• K. Andrae, F. W. Fussnegger, O. Kronjäger, G. Lesche, W. Lichthardt, O. Morgenroth, W. Müller, K. Rothammel, E. Schneller, K. H. Schubert.szerk.: Hans Joachim Fischer: Rádióamatőrök kézikönyve – Kézi- és segédkönyv rövidhullámú adó- és vevőamatőrök számára [archivált változat] (djvu) (magyar nyelven), Budapest: Műszaki Könyvkiadó. ETO 621.396.72, 621.396.6.029.55/62 [1960] (1962). Hozzáférés ideje: 2024. március 22. [archiválás ideje: 2020. március 7.] „Eredeti mű: AMATEURFUNK, Verlag Sport und Technik, Berlin, 1960”