Výukový program ionosférického šíření zahrnuje . . . .
Ionosférické šíření     Ionosféra     Ionosférické vrstvy     Skywaves & skip     Kritická frekvence, MUF, LUF & OWF     Jak používat ionosférické šíření     Vícenásobné odrazy a skoky     Ionosférická absorpce     Únik signálu     Sluneční indexy     Propagační software     NVIS     Transekvatoriální šíření     Šíření po greyline    F spread        

Tradiční pohled na ionosféru ukazuje na řadu odlišných vrstev, z nichž každá ovlivňuje vysokofrekvenční rádiovou komunikaci mírně odlišným způsobem. První objevy ionosféry skutečně naznačovaly, že je přítomno několik vrstev.

Vrstvy byly označeny jako ionofsérické vrstvy D, E a F a koncept odlišných vrstev s těmito názvy zůstal po mnoho let.

Při pohledu na ionosféru a způsob, jakým ovlivňuje rádiové signály, stojí za to se blíže podívat na šíření ionizace v ionosféře a na to, jak různé vrstvy ionosféry ovlivňují rádiové komunikační signály a jak toho lze využít.

Ionosférické vrstvy

Zatímco koncept odlišných vrstev D, E a F je pohodlný způsob zobrazení struktury ionosféry, není zcela správný. Ionizace existuje v celé ionosféře, její úroveň se mění s nadmořskou výškou. Vrcholy v úrovni mohou být považovány za různé vrstvy. Proto je vhodnější terminologie vrstvy D, E a F.

Existuje také vrstva C pod ostatními, ale úroveň ionizace je tak nízká, že nemá žádný vliv na rádiové signály a rádiovou komunikaci a je zřídka zmiňována.

Různé vrstvy v ionosféře mají různé charakteristiky a ovlivňují rádiovou komunikaci různými způsoby. Existují také rozdíly v přesném způsobu jejich vytváření a udržování. S ohledem na to stojí za to se na každou z nich podívat podrobněji a na to, jak se mění v průběhu celého dne za světla a tmy.

D vrstva

Když prostorová vlna opustí zemský povrch a postupuje nahoru, první zájmová vrstva, které dosáhne v ionosféře, se nazývá D vrstva nebo D vrstva.

Je přítomna ve výškách mezi asi 60 a 90 kilometry a radiace v ní je přítomna pouze během dne v rozsahu, který výrazně ovlivňuje rádiové vlny. Je udržována zářením ze Slunce a úrovně ionizace rychle klesají za soumraku, když je zdroj záření odstraněn.Vrstva D vzniká hlavně působením formy záření známého jako Lymanovo záření, které má vlnovou délku 1215 Angstromů a ionizuje plynný oxid dusnatý přítomný v atmosféře. Tvrdé rentgenové záření také přispívá k ionizaci, zejména směrem k vrcholu slunečního cyklu.

D vrstva nebo D vrstva má především vliv na pohlcování nebo tlumení rádiových komunikačních signálů zejména v LF a MF části rádiového spektra, její vliv se snižuje se zvyšující se frekvencí.

V noci pokles úrovně ionizace znamená, že má malý vliv na většinu rádiových komunikačních signálů, i když je stále dostatek pro lámání signálů VLF.

Tato vrstva zeslabuje signály, když procházejí. Úroveň útlumu závisí na frekvenci. Nízké frekvence jsou tlumeny více než vyšší. Ve skutečnosti bylo zjištěno, že útlum se mění jako inverzní čtverec frekvence, tj. zdvojnásobení frekvence snižuje úroveň útlumu faktorem čtyři. To znamená, že nízkofrekvenčním signálům je často zabráněno v dosažení vyšších vrstvaí, s výjimkou noci, kdy tato vrstva zmizí.

Kde:
    k = konstanta
    f = frekvence provozu (Hz)

vrstva D zeslabuje signály, protože rádiové signály způsobují, že volné elektrony v této vrstvai vibrují. Jak vibrují, elektrony se srážejí s molekulami a při každé srážce dochází k malé ztrátě energie. S nesčetnými miliony vibrujících elektronů je množství ztráty energie patrné a projevuje se jako snížení celkové úrovně signálu. Velikost ztráty signálu závisí na řadě faktorů.

• Počet přítomných molekul plynu:   Jedním z faktorů je počet přítomných molekul plynu. Čím větší je počet molekul plynu, tím vyšší je počet srážek a tím vyšší útlum. V nadmořské výšce, kde existuje vrstva D, je stále relativně vysoká hladina molekul plynu, a proto existuje dostatečně velký počet srážek iontů a molekul, aby za mnoha okolností absorbovalo velké množství energie.

• Úroveň ionizace:   Úroveň ionizace je také velmi důležitá. Čím vyšší je úroveň ionizace, tím větší je počet elektronů, které vibrují a srážejí se s molekulami.

• Frekvence signálu:   Třetím hlavním faktorem je frekvence signálu. S rostoucí frekvencí se zkracuje vlnová délka vibrací a snižuje se počet srážek mezi volnými elektrony a molekulami plynu. V důsledku toho jsou signály nižší v rádiovém spektru zeslabeny mnohem více než ty, které mají vyšší frekvenci. I tak vysokofrekvenční signály stále trpí určitým snížením síly signálu.

V praxi bylo zjištěno, že úroveň útlumu je dostatečná k tomu, aby zabránila signálům v MF části spektra dosáhnout vyšších vrstev. Avšak v noci, kdy ionizace v vrstvai D klesá, jsou schopny dosáhnout vyšších vrstev a mohou být slyšet signály ze vzdálenějších míst. To je patrné na pásmu středních vln a vyšších frekvencích, kde jsou signály absorbovány vrstvaí D.

Signály na vyšších frekvencích, které jsou „odráženy“ vyššími vrstvami v ionosféře, budou také do určité míry zeslabeny, i když to bude záviset na frekvenci. Stojí za zmínku, že pro každý odraz bude signál muset projít vrstvaí D dvakrát, přičemž bude pokaždé zeslaben. Proto signály, které se odrážejí vícekrát, mohou trpět významným stupněm útlumu.

E vrstva

E vrstva nebo E vrstva je nad D vrstvou. Nachází se v nadmořských výškách mezi 100 a 125 kilometry. Namísto toho, aby radiokomunikační signály zeslabovala, tato vrstva je hlavně láme, často do takové míry, že se vrátí na Zemi. Zdá se, že jako takové byly touto vrstvou odraženy. Tato vrstva však stále do určité míry působí jako zeslabovač.

V nadmořské výšce, kde existuje vrstva E nebo vrstva E, je hustota vzduchu mnohem menší než v vrstvai D. To znamená, že když jsou volné elektrony excitovány rádiovými signály a vibrují, dochází k mnohem méně srážkám. V důsledku toho je způsob, jakým E vrstva nebo E vrstva působí, poněkud odlišný. Elektrony jsou opět uvedeny do pohybu rádiovým signálem, ale mají tendenci jej znovu vyzařovat. Jak signál cestuje v vrstvě, kde hustota elektronů roste, čím dále postupuje do vrstvy, signál se láme pryč od vrstvy s vyšší hustotou elektronů. V případě vysokofrekvenčních signálů je tento lom často dostatečný k jejich ohnutí zpět k zemi. Ve skutečnosti to vypadá, že vrstva „odrazila“ signál. Tendence k tomuto "odrazu" je závislá na frekvenci a úhlu dopadu. Jak se frekvence zvyšuje, je zjištěno, že množství lomu klesá, dokud není dosaženo frekvence, kde signály procházejí vrstvou a dále do další. Nakonec je dosaženo bodu, kdy signál prochází vrstvou E do další vrstvy nad ní.

Stejně jako vrstva D úroveň ionizace klesá relativně rychle po setmění, protože elektrony a ionty se znovu spojují a v noci prakticky mizí. Zbytková noční ionizace ve spodní části vrstvai E však způsobuje určitý útlum signálů ve spodních částech vysokofrekvenční části rádiového komunikačního spektra.

Ionizace v této vrstvy je výsledkem řady typů záření. Měkké rentgenové paprsky produkují velkou část ionizace, i když extrémní ultrafialové (EUV) paprsky (ultrafialové světlo s velmi krátkou vlnovou délkou) také přispívají. Obecně má záření, které v této vrstvai vyvolává ionizaci, vlnové délky mezi asi 10 a 100 angstromů. Míra, do jaké přispívají všechny složky, závisí na stavu Slunce a zeměpisné šířce, ve které jsou pozorování prováděna.

F vrstva

Nejdůležitější vrstvou v ionosféře pro dálkové vysokofrekvenční radiokomunikace je vrstva F. Během dne, kdy je záření přijímáno ze Slunce, se často dělí na dvě části: nižší je vrstva F1 a vyšší vrstva F2. Z nich je vrstva F1 spíše inflexním bodem v křivce elektronové hustoty (viz výše) a obecně existuje pouze v létě.

Typicky se vrstva F1 nachází ve výšce kolem 300 kilometrů a vrstva F2 nad ní ve výšce kolem 400 kilometrů. Kombinovaná F vrstva pak může být vystředěna kolem 250 až 300 kilometrů. Nadmořská výška všech vrstev ve vrstvách ionosféry se značně liší a vrstva F se mění nejvíce. Uvedené údaje by proto měly být brány pouze jako hrubé vodítko. Vzhledem k tomu, že je nejvyšší z ionosférických vrstev, je velmi ovlivněn stavem Slunce a dalšími faktory včetně denní doby, roku a tak dále.

Vrstva F funguje jako „odrazovač“ signálů ve vysokofrekvenční části rádiového spektra, což umožňuje vytvoření celosvětové rádiové komunikace. Je to hlavní vrstva spojená s šířením vysokofrekvenčního signálu.

Působení vrstvy F na rádiové signály je stejné jako u vrstvy E, i když při menší hustotě vzduchu dochází k méně srážkám a ke ztrátám energie. V důsledku toho jsou signály odrážené vrstvou F, a zejména později F2, vystaveny nízkým úrovním útlumu. Výsledkem je, že i signály s nízkým výkonem lze slyšet na velké vzdálenosti.

Stejně jako vrstvy D a E se úroveň ionizace vrstvy F mění v průběhu dne, v noci klesá, když záření ze Slunce mizí. Úroveň ionizace však zůstává mnohem vyšší. Hustota plynů je mnohem nižší a v důsledku toho probíhá rekombinace iontů a elektronů pomaleji, asi čtvrtinovou rychlostí, než k níž dochází v vrstvy E. V důsledku toho má stále vliv na rádiové signály v noci a je schopen vrátit mnohé na Zemi, i když má v některých aspektech snížený účinek.vrstva F je nejvyšší vrstvou v ionosféře a jako taková zažívá nejvíce slunečního záření. Velká část ionizace je důsledkem ultrafialového světla uprostřed spektra, stejně jako těch částí spektra s velmi krátkými vlnovými délkami. Typicky je záření, které způsobuje ionizaci, mezi vlnovými délkami 100 a 1000 Angstromů, i když extrémní ultrafialové světlo je zodpovědné za určitou ionizaci v nižších vrstvaech F vrstvai.

Ionosférické variace

Již bylo vidět, že denní doba způsobuje některé velmi významné změny ve stavu ionosféry, protože úroveň ionizace v noci klesá. Existuje však mnoho dalších faktorů, které mají vliv na ionosféru. Hlavním z nich je samotné Slunce, ale mezi další faktory patří roční období a poloha na zeměkouli.

• Sezónní změny:   Stejně jako se množství tepla, které přijímají místa na Zemi, mění s ročními obdobími, mění se i množství záření přijímaného ionosférou. Vyplývá to ze skutečnosti, že v létě se přijímané záření šíří na menší plochu, protože povrch Země je blíže k pravému úhlu ke směru záření. V zimě je povrch Země pod větším úhlem a záření se musí šířit na větší plochu. V důsledku toho dostává ionosféra v zimě méně záření než v létě.

  vrstvy D a E reagují podle očekávání s nižšími úrovněmi ionizace v zimě než v létě a vrstva F1 také sleduje podobný vzorec. Pro vrstvu F ₂ však existují další ovlivňující faktory a ta reaguje jiným způsobem.

  Pro vrstvu F ₂ hraje ohřívací efekt Slunce zásadní roli ve způsobu jeho reakce. Teplota v zimě je mnohem nižší než v létě, protože teplo ze Slunce je rozprostřeno na větší plochu, protože Slunce je na obloze níže. V létě teplota plynu stoupá v vrstvai F2, takže aktivita ve vzduchu stoupá a větší počet molekul stoupá výše do atmosféry. V zimě, když teplota klesá, těžší molekuly klesají, takže lehčí atomy stoupají nahoru.

  To znamená, že v zimě je ve vyšší nadmořské výšce vrstvy F2 vyšší podíl atomů. Atomy se snáze ionizují než molekuly plynu, a tak se zvyšuje i počet vhodných cílů pro ionizaci záření. V důsledku toho jsou úrovně denní ionizace ve skutečnosti vyšší v zimě než v létě. Celkovým efektem je, že nejvyšší denní úrovně ionizace stoupají v zimě výše než v létě, ale klesají na nižší úroveň, protože sluneční záření je přítomno po menší část času.

• Geografické variace:   Úrovně ionizace jsou také ovlivněny polohou na zeměkouli. Přirozeně existují odchylky vyplývající ze zeměpisné šířky, kde polární vrstvai, které dostávají méně záření, a rovníkové vrstvai mají mnohem vyšší úroveň záření. Obecně to vede k vyšším úrovním ionizace pro vrstvai D, E a F ₁ v rovníkových vrstvách než směrem k pólům.

  vrstva F ₂ má řadu dalších faktorů, které ovlivňují její úroveň ionizace, včetně magnetického pole Země a také přijímá ionizaci z jiných zdrojů. V důsledku toho bylo zjištěno, že úrovně ionizace jsou vyšší v Asii a Austrálii než na západní polokouli, včetně Afriky, Evropy a Severní Ameriky.

souhrn

Ionosféra je neustále se měnící vrstva atmosféry. Rozprostírající se od nadmořských výšek kolem 60 kilometrů do více než 400 kilometrů obsahuje ionty a volné elektrony. Volné elektrony ovlivňují způsoby šíření rádiových vln v této vrstvai a mají významný vliv na vysokofrekvenční rádiovou komunikaci.

Ionosféru lze rozdělit do několika vrstev odpovídajících vrcholům v elektronové hustotě. Tyto vrstvy se nazývají vrstvy D, E a F. Vzhledem k tomu, že záření ze Slunce je absorbováno, když proniká atmosférou, různé formy záření vedou k ionizaci v různých vrstvách, jak je uvedeno v souhrnné tabulce níže:

Ionosféra je neustále se měnící vrstva. Je zjevně ovlivněno zářením ze Slunce, což se mění v důsledku aspektů včetně denní doby, geografické polohy a stavu Slunce. V důsledku toho se radiokomunikace využívající ionosféru mění ze dne na den a dokonce z jedné hodiny na další. Předvídání toho, jak bude možná rádiová komunikace a jaké se mohou šířit rádiové signály, je velmi zajímavá pro různé uživatele rádiové komunikace, od vysílatelů přes radioamatéry a uživatele dvoucestných rádiových komunikačních systémů až po ty, kteří používají námořní mobilní rádiové komunikační systémy a mnoho dalších.