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.[1]

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

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:

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

• k – egy időben változó tényező
• N – az elektronkoncentráció (e/m^3)
• f – a frekvencia (Hz)
• c fénysebesség (m/s)

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

Lásd még: Rádióhullámok terjedése ionizált gázokban

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:

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

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

• 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:

${\displaystyle \beta =90-\phi }$, illetve ha radiánban számolunk ${\displaystyle \beta ={\frac {\pi }{2}}-\phi }$

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

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

Végül megkapjuk az l távolságot km-ben:

${\displaystyle l=2\pi \gamma r}$

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

Réteg	Kisugárzási szög
	0	20	40	60	80	85	89
E	1507	1055	703	404	131	65	13
F1	3135	2197	1464	841	247	137	27
F2	3758	2635	1756	1009	329	165	32

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 km

Tehát 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

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[2]

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/cm^3)	10^14 -10^16	5*10^11 – 10^13	10^11	10^10
Ionkoncentráció (1/cm^3)	Nappal: 10^6 – 10^8 Éjjel: 0	Nappal: 1*10^5 – 4*10^5 Éjjel: 5*10^3 – 10^4	2*10^5 – 4.5*10^5	Téli napon: 3*10^5 Nyári napon:2*10^6 Télen éjszaka: 2*10^5
Ütközési frekvencia (1/s)	10^-7	10^5	10^4	10^3 – 10^4
Rekombinációs tényező (cm^3/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[3]

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” 

Jegyzetek

1. Rádióamatőrök kézikönyve. Műszaki könyvkiadó. ISBN 2399997844871. Hozzáférés ideje: 1962. 
2. M.P. Doluhanov. Rádióhullámok terjedése (1978) 
3. Rádiófrekvenciás hullámterjedés. (Hozzáférés: 2023. szeptember 22.)