Jaký je aktuální stav ionosféry?
Informace o aktuálním stavu ionosféry lze získat z měření ionosond, které pracují na principu radaru a měří výšku odrazu radiových vln v závislosti na kmitočtu při jejich kolmém dopadu. Současné systémy jsou plně digitální a poskytují i další informace o dynamických dějích v ionosféře. Základním výsledkem je grafické znázornění naměřených hodnot tzv. Ionogram. Ionogramy z moderních ionosond jsou doplněny i řadou údajů v číselné formě. V ČR pracuje ionosonda na observatoři Ústavu fyziky atmosféry AVČR v Průhonicích u Prahy a její data jsou dostupná na adrese http://147.231.47.3/ . Ukazují stav ionosféry nad územím Čech a mohou být použita pro volbu provozu na kratší vzdálenosti s anténami s vysokým vyzařovacím úhlem. Pro dálková spojení pod nízkým úhlem je lepší použít data z ionosond umístěných přibližně v místech odrazu vln, tj. v polovině prvního skoku. Rozmístění ionosond v Evropě a odkazy na ně lze nalézt na http://www.dk5ya.de/iono.htm .
Typický ionogram je na obrázku níže.
V horní části jsou identifikační údaje o ionosondě a datum a čas měření. Měření se provádi obvykle v intervalu 15 minut.
Hodnoty v tabulce na levé straně znamenají (N/A znamená, že se hodnota nezjišťovala):
foF2 – kritický kmitočet vrstvy F2 (nejvyšší kmitočet, kdy se vlny ještě odráží od ionosféry při kolmém dopadu), o znamená řádný paprsek
foF1 – kritický kmitočet vrstvy F1
foF1p – kmitočet odpovídající maximu elektronové hustoty vrstvy F1
foE – kritický kmitočet vrstvy E
foEp – kmitočet vrstvy E odpovídající maximu elektronové hustoty
fxI – kritický kmitočet mimořádného paprsku vrstvy F2
foEs – kritický kmitočet vrstvy Es
fmin - mimimální kmitočet, kdy se řádný paprsek začíná odrážet
MUF(D) – maximální použitelný kmitočet při šikmém dopadu pro vzdálenost D (většinou se udává pro 3000km)
M (D) – poměr MUF(D)/ FoF2
D – vzdálenost, pokud je jiná než 3000km
hF – virtuální výška vrstvy F pokud nelze rozlišit vrstvy F1 a F2 (nezohledňuje rychlost šíření vln v ionosféře)
hF2 – virtuální výška vrstvy F2
hE – virtuální výška vrstvy E
hEs – virtuální výška vrstvy Es
hmF2 – výška odrazu od vrstvy F2 v místě maximální elektronové hustoty (reálná výška odrazu vhodná pro určení optimálního kmitočtu pro spojení)
hmF1 – totéž pro vrstvu F1
hmE – totéž pro vrstvu E
yF2, yF1, Bo, B1, D1 jsou parametry mezinárodního referenčního modelu ionosféry (IRI), které byly použity pro výpočty.
C-level – spolehlivost výsledků, udává se jako dvě čísla v rozmezí 1-5 (11- nejspolehlivější, 55 – nejmenší spolehlivost, např. větší počet chyb, široká stopa, rušení a pod.)
Údaje f jsou v MHz, údaje h v km.
Ve spodní části je tabulka maximálních použitelných kmitočtů MUF pro spojení na vzdálenost D, která je použitelná pro rychlou volbu vhodného kmitočtu pro danou vdálenost.
Grafická část znázorňuje výšku odrazu v závislosti na kmitočtu získanou v půběhu měření. Červené křivky přísluší rádnému paprsku s rozlišením jeho polarizace (Vo-, Vo+) a zelené mimořádnému. Ionosonda umožňuje zjišťovat i směry, odkud odražený signál přichází. V ionogramu jsou rozlišeny barevně:
E-východ, NNE – severoseverovýchod, W- západ, SSW-jihojihozápad, SSE- jihojihovýchod, NNW- severoseverozápad, NoVal znamená chybu v určení směru.
Nad základními křivkami je vidět i další slabé křivky zůsobené vícenásobnými odrazy od země zpět k inosféře. Černě je znázorněný vypočtený průběh elektronové hustoty v závislosti na výšce (čím větší hustota, tím lépe a s nenšími ztrátami se vlny odrážejí).
Pozn. Elektromagnetická vlna se v ionosféře při průchodu ionizovaným prostředím a působením magnetického pole štěpí na dva paprsky s různou polarizací elektrické složky vlny. Šíření řádné vlny nezávisí na magnetickém poli a chová se podle zákonů optiky. Vlastnosti mimořádné vlny jsou ovlivňovány magnetickým polem a mají složitější chování. To pak v praxi umožňuje její odrážení i nad kmitočtem fo.
Na obrázku je typický denní ionogram, s odrazem od vrstvy F2 a kritickým kmitočtem kolem 10MHz, což by mělo umožnit spojení pod nízkým úhlem i v pásmu 28MHz. V nočních hodinách naopak hodnoty kritického kmitočtu klesají a pohybují se kolem 3MHz. Spojení pak lze navazovat jen na nejnižších KV pásmech.
Následující ionogram ukazuje výskyt mimořádné vrstvy E, která se vyznačuje velmi silnou ionizací, takže přes ni vlny k vrsvám F neprocházejí. Odrazy od nich se objevují až při vyšších kmitočtech, kdy Es vrstva začíná slábnout. V jarních a letních měsících se Es vrstva občas vyskytuje i na kmitočtech přes 20MHz a je možné přes ni navazovat spojení i v pásmu 2m.
Na ionogramu se projevuje jako souvislá silná čára ve spodní části s odpovídající výškou kolem 100km.
Další odkazy:
http://www.ngdc.noaa.gov/stp/iono/Dynasonde/whatis.htm
http://ulcar.uml.edu/digisonde_dps.html
http://www.hfunderground.com/wiki/File:HAARP-Ionogram.gif
http://www.aldebaran.cz/astrofyzika/plazma/waves.html
http://fyzweb.cz/materialy/hvizdy/7_elmagplazma.pdf
pomocí níže uvedených výpočtů si lze udělat představu o tom, na kolik skoků odrazem od ionosféry se signál dostane k protistanici.První výpočet počítá s vyzařováním v rovině horizontu, což lze aplikovat buď na horní KV pásma v případě směrovky vysoko nad zemí a na kopci, nebo na VKV, v případě odrazu od letadel, či inverzní vrstvy.
r je poloměr Země 6378 km
h je výška ionosféry (odrazné vrstvy)
ß je úhel, ve kterém dojde k odrazu signálu
b je dráha, kterou signál urazí cestou k ionosféře
d je vzdálenost, ve které se první odraz od ionosféry vrátí na zemský povrch.
o je obvod Země; o = 2 x 3,14 x r = 40053 km
Úloha je jednoduchá, trojúhelník je pravoúhlý, platí tedy, že
r2 + b2 = (r + h)2
b = ((r + h)2 - r2)0,5
sin ß = b/(r+h) = ((r + h)2 - r2)0,5 /(r+h)
ß = arcsin b/(r+h)
ß = arcsin ((r + h)2 - r2)0,5 /(r+h)
Jak daleko dopadne odraz on ionosféry zpátky na zem? Stane se to v místě, které je od vysílače vzdálené o úhel 2ß
d = 2ßo/360
d =o/180 arcsin ((r + h)2 - r2)0,5 /(r+h)
d =222,5 arcsin ((r + h)2 - r2)0,5 /(r+h)
Toto je finální vzorec. Výpočet je poněkud komplikovaný, proto jsou v tabulce vypočteny některé typické hodnoty
výška odrazné vrstvy | 1 skok | 2 skoky | 3 skoky | 4 skoky | 5 skoků | 6 skoků | 7 skoků | 8 skoků | 9 skoků |
12,5 km (letadla, 23cm) | 796 km | ||||||||
100 km | 2243 km | 4486 km | 6729 km | 8972 km | 11215 km | 13458 km | 15701 km | 17944 km | 20187 km |
200 km | 3150 km | 6300 km | 9450 km | 12600 km | 12750 km | 18900 km | 22050 km | 25200 km | 28350 km |
300 km | 3833 km | 7666 km | 11499 km | 15332 km | 19165 km | 22998 km | 26831 km | 30664 km | 34497 km |
400 km | 4394 km | 8788 km | 13182 km | 17576 km | 21970 km | 26364 km | 30758 km | 35152 km | 39546 km |
500 km | 4866 km | 9732 km | 14598 km | 19464 km | 24330 km | 29196 km | 34062 km | 38928 km | 43794 km |
384000 km (EME) | 19811 km |
Příklady vzdáleností:
1000-1500km: G, SV, IT9, UA3, LZ
4500-5000 km: nejvýchodnější pobřeží Kanady, některé UA0
6000-6500 km: Montreal, severovýchod USA
6500-7000 km: východní pobřeží USA
8000-8500 km: střed USA
9000-10000 km: W6, střední Amerika
Jedna z možných Interpretací: Spojení na západní pobřeží USA vyjde za ideálních podmínek na dva skoky, v praxi spíše na tři skoky při výšce odrazné vrstvy 500km.
Druhý výpočet je proveden pro případ, kdy má anténa, z důvodu umístění v nenulové výšce nad zemí, nebo z jiných důvodů, zvednutý vyzařovací diagram směrem vzhůru.
Tento výpočet je složitější, protože trojůhelník není pravoúhlý, tak je nutné použít kosinovou větu.
r je poloměr Země 6378 km
h je výška ionosféry (odrazné vrstvy)
ß je úhel, ve kterém dojde k odrazu signálu
µ je úhel 90 stupňů + elevace antény, resp. jejího vyzařovacího diagramu
b je dráha, kterou signál urazí cestou k ionosféře
d je vzdálenost, ve které se první odraz od ionosféry vrátí na zemský povrch.
o je obvod Země; o = 2 x 3,14 x r = 40053 km
Budeme se zabývat trojúhelníkem SAI, kde S je střed Země, A je anténa I je bod prvního odrazu. Trojúhelník je definován třemi hodnotami, v našem případě stranou r, stranou r+h a úhlem µ, naším cílem je zjistit úhel ß, ze kterého vypočteme vzdálenost bodu, ve kterém se signál odražený od ionosféry poprvé dotkne zemského povrchu.
Kosinová věta zní: (r + h)2 = r2 + b2 - 2 r b cosµ
Příklad 1:
Zkusíme dosadit výšku h = 100km, elevaci antény 15 stupňů, tj, úhel µ = 105 stupňů
41964484 = 40678884 + b2 - 12756 b -0,259
b2 + 3304b -1285600 = 0
vyřešením kvadratické rovnice získáme hodnotu b = 351 km
nyní znovu aplikujeme kosinovou větu, abychom získali velikost úhlu ß
b2 = (r + h)2 + r2 - 2 r (r + h ) cos ß
3512 = 64782+ 63782 - 82633368 cos ß
cos ß = 0,99863
ß = 2,99 stupně
signál odražený od ionosféry se vrátí na povrch Země v úhlové vzdálenosti 2ß, tedy 5,98 stupně.
Přepočteno na kilometry to dělá 5,98/360 x 40053 = 665 km
Interpretace: Máme-li anténu s maximem vyzařování 15 stupňů nad horizontem a signál se odráží ve výšce 100 km nad povrchem Země, pak maximum signálu odraženého od ionosféry dopadne na zem poprvé ve vzdálenosti 665 km od vysílací antény.
Příklad 2:
Zkusíme dosadit výšku h = 150km, elevaci antény 15 stupňů, tj, úhel µ = 105 stupňů
42614784 = 40678884 + b2 - 12756 b -0,259
b2 + 3304b -1935900 = 0
vyřešením kvadratické rovnice získáme hodnotu b = 508 km
nyní znovu aplikujeme kosinovou větu, abychom získali velikost úhlu ß
b2 = (r + h)2 + r2 - 2 r (r + h ) cos ß
5082 = 65282+ 63782 - 83271168 cos ß
cos ß = 0,99717
ß = 4,31 stupně
signál odražený od ionosféry se vrátí na povrch Země v úhlové vzdálenosti 2ß, tedy 8,62 stupně.
Přepočteno na kilometry to dělá 8,62/360 x 40053 = 959 km
Interpretace: Máme-li anténu s maximem vyzařování 15 stupňů nad horizontem a signál se odráží ve výšce 150 km nad povrchem Země, pak maximum signálu odraženého od ionosféry dopadne na zem poprvé ve vzdálenosti 959 km od vysílací antény.
Další vypočtené hodnoty pro výšku odrazné vrstvy 100 km:
elevace 30 stupňů: první dopad na zem ve vzdálenosti 331,5 km
elevace 45 stupňů: první dopad na zem ve vzdálenosti 187 km
elevace 60 stupňů: první dopad na zem ve vzdálenosti 102 km
© OK1DCP, OK1VUM