Jonosfera za radio-amatere — D, E i F slojevi bez magije

Uvod: zašto „ogledalo“ nije dovoljno

Presjek jonosfere sa slojevima D, E i F. Izvor: NOAA / NWS SWPC.

U radio-amaterskoj literaturi i usmenoj tradiciji često se kaže da se HF signal „odbija od jonosfere kao od ogledala“. Ta slika je korisna kao prva aproksimacija, ali je i netačna u detaljima koji su za operatera važni. Jonosfera nije metalna ploha; to je sloj razrijeđenog gasa u kojem Sunčevo zračenje stvara slobodne elektrone i jone. Kada naelektrisani sloj ima promjenljivu gustinu elektrona po visini, elektromagnetni talas koji ulazi u njega mijenja smjer postepeno — prelamanjem — a ne trenutnim odbijanjem.

NOAA / NWS SWPC opisuje jonosferu kao dio gornje atmosfere, približno između 80 i 600 km, u kojem ekstremno ultraljubičasto (EUV) i rendgensko Sunčevo zračenje jonizuje atome i molekule i tako stvara sloj elektrona. Isti izvor navodi da jonosfera „reflektuje i modifikuje“ radio-talase koji se koriste za komunikaciju i navigaciju, ali iz konteksta je jasno da je riječ o prelamanju u gradijentu elektronske gustine, uz dodatnu apsorpciju.

Za radio-amatera praktična posljedica je jednostavna: ono što stiže na drugu stranu nije „odbijeni“ talas nego prelomljeni talas koji je na putu kroz jonizovani medij izgubio dio energije. Zato nije dovoljno pitati „je li sloj visoko“ — treba pitati i koliko je apsorpcije na putu.

Sunčevo zračenje i jonizacija

Jonizacija jonosfere u osnovi je posljedica Sunčevog zračenja. NOAA SWPC navodi da EUV i rendgenski fotoni jonizuju atmosferske atome i molekule, te da fluks fotona na EUV i rendgenskim talasnim dužinama varira skoro za faktor deset tokom 11-godišnjeg Sunčevog ciklusa. Gustina jonosfere se mijenja s tim.

Pored Sunčevog zračenja, jonizaciji doprinose i energetske naelektrisane čestice i kosmičko zračenje. Za HF radio-amatera najvažniji su ipak EUV i rendgenski dio Sunčevog spektra, jer oni određuju dnevnu jonizaciju nižih slojeva.

Sunčevo zračenje ne djeluje isto na svim visinama. Različite talasne dužine prodiru do različitih dubina, a sastav atmosfere se mijenja s visinom. Zbog toga nastaju slojevite strukture koje nazivamo D, E i F regionima. NOAA SWPC izričito navodi da spektralna varijabilnost Sunčevog zračenja i gustina različitih sastojaka atmosfere stvaraju slojeve unutar jonosfere.

Praktična posljedica: jonizacija nije ravnomjerna ni po visini ni po površini Zemlje. Najveća je tamo gdje je Sunce visoko — na podnevnoj strani i u podnevnim satima — a najmanja na noćnoj strani. NOAA SWPC to sažima: pošto najveći dio jonizacije dolazi od Sunčevog zračenja, noćna strana Zemlje, kao i pol koji je okrenut od Sunca (zavisno od godišnjeg doba), imaju mnogo manje jonizacije od dnevne strane.

D, E i F regioni

D region

D region je, prema NOAA SWPC glosaru, dnevni region jonosfere na visini približno od 40 km do 90 km. U njemu je apsorpcija radio-talasa najizraženija. NOAA SWPC dokumentacija o D-region apsorpciji precizira da se najveći dio apsorpcije dešava u D regionu (50–90 km), gdje proizvod gustine elektrona i frekvencije sudara elektron–neutralna čestica dostiže maksimum.

D region postoji uglavnom danju. Noću, kada nema Sunčevog zračenja koje bi ga održavalo, jonizacija u tom sloju slabi. To je jedan od najvažnijih praktičnih mehanizama u HF radu: niži HF opsezi danju trpe apsorpciju u D regionu, a noću ta apsorpcija slabi.

E region

E region je, prema NOAA SWPC glosaru, dnevni region otprilike između 90 i 160 km. Njegove karakteristike zavise od Sunčevog zenitnog ugla i Sunčeve aktivnosti, a jonizacija je uglavnom izazvana rendgenskim zračenjem u opsegu 0,8 do 10,4 nm.

ITU-R P.1239 navodi da se foE (kritična frekvencija E regiona) modeluje empirijskim formulama u zavisnosti od Sunčevog zenitnog ugla — što znači da je E region izrazito dnevni i sezonski zavisan. Za radio-amatera to znači da E region može biti koristan za prelamanje na višim HF frekvencijama danju, ali i da njegova svojstva nisu konstantna.

F region, F1 i F2

F region je, prema NOAA SWPC glosaru, gornji region iznad približno 160 km. Gustina elektrona u njemu je vrlo promjenljiva — zavisi od lokalnog vremena, Sunčeve aktivnosti, godišnjeg doba i geomagnetske aktivnosti. F region sadrži F1 i F2 slojeve. F2 je gušći i ima vrh između 200 i 600 km; F1 se formira na nižim visinama danju i ima manji vrh.

Za HF komunikaciju na velikim razdaljinama F2 je obično najvažniji. NOAA SWPC dokumentacija o D-region apsorpciji navodi da se radio-talasi tipično prelamaju blizu vrha F2 sloja (oko 300 km), ali da signal na putu do F2 vrha i nazad trpi slabljenje zbog apsorpcije u međuslojevima.

ITU-R P.1239 modeluje foF2, M(3000)F2, foF1 i druge karakteristike kao mjesečne medijane za datu lokaciju, mjesec i doba dana, na različitim Sunčevim epohama. To znači da su i F1 i F2 promjenljivi, ali na način koji se može statistički opisati — ne garantovati.

Napomena o slici: na ovom mjestu predviđen je tehnički crtež poprečnog presjeka Zemlje sa D, E, F1 i F2 visinskim pojasevima (D ~40–90 km, E ~90–160 km, F iznad ~160 km, F1 danju, F2 vrh). Slika se dodaje naknadno.

Dan i noć

Najveća dnevna promjena u jonosferi dolazi od toga što Sunčevo zračenje postoji samo na dnevnoj strani. NOAA SWPC navodi da noćna strana Zemlje ima mnogo manje jonizacije od dnevne.

Praktične posljedice za HF:

• D region je uglavnom dnevni. Noću slabi, pa apsorpcija na nižim HF frekvencijama opada.
• E region je takođe uglavnom dnevni i zavisi od Sunčevog zenitnog ugla (ITU-R P.1239).
• F region se noću ne gasi, ali se mijenja. F1 sloj se danju formira na nižim visinama; noću se struktura pojednostavljuje, a F2 ostaje glavni sloj za prelamanje.

Zato se na nižim HF opsezima (npr. 80 m i 40 m) često primjećuje da su noćni uslovi povoljniji za duge putanje nego dnevni, dok se na višim opsezima (npr. 15 m i 10 m) danju može naći prelamanje koje noću izostaje. To su tipične tendencije, ne univerzalna pravila.

Napomena o slici: na ovom mjestu predviđen je dijagram dnevne i noćne jonosfere — danju D, E, F1, F2; noću oslabljeni D i E, a F se zadržava uz promjene. Slika se dodaje naknadno.

Apsorpcija: gdje energija odlazi

Apsorpcija je proces u kojem se energija radio-talasa pretvara u toplotu i elektromagnetni šum kroz interakcije između talasa, jonosferskih elektrona i neutralne atmosfere. NOAA SWPC to opisuje upravo tako u dokumentaciji o D-region apsorpciji.

Ključna činjenica: najveći dio apsorpcije dešava se u D regionu (50–90 km), gdje je proizvod gustine elektrona i frekvencije sudara elektron–neutralna čestica najveći. Neutralna gustina je relativno konstantna tokom vremena, pa promjene lokalne gustine elektrona određuju ukupnu apsorpciju.

Gustina elektrona u D regionu zavisi od lokalnog vremena, geografske širine, godišnjeg doba i Sunčevog ciklusa. Te „prirodne“ promjene su predvidive i umjereno utiču na apsorpciju na najnižim HF frekvencijama. Mnogo značajnije promjene nastaju naglim povećanjem gustine elektrona u D regionu — klasični „short wave fade“ — bilo zbog Sunčevih rendgenskih baklji na dnevnoj strani, bilo zbog precipitacije Sunčevih protona u polarnim oblastima (polar cap absorption).

Za radio-amatera to znači: ako je signal na 80 m danju slabiji nego noću, to nije „loša antena“ nego D-region apsorpcija. Ako signal iznenada nestane tokom dana, moguće je da je u toku rendgenska baklja koja je povećala jonizaciju D regiona.

Prelamanje, kritična frekvencija i foF2

Prelamanje nastaje zato što indeks prelamanja u jonizovanom mediju zavisi od gustine elektrona i frekvencije talasa. Kada talas ulazi u sloj sve veće elektronske gustine, njegova putanja se savija. Ako je frekvencija dovoljno niska, talas se savije toliko da se vrati prema Zemlji. Ako je frekvencija previsoka, talas prođe kroz sloj i ne vrati se.

Kritična frekvencija je najviša frekvencija koja se može vertikalno prelomiti od datog sloja. NOAA SWPC glosar definiše foF2 kao maksimalnu frekvenciju običnog moda koja se može vertikalno reflektovati od F2 sloja. To je vertikalna geometrija; za kose putanje kritična frekvencija nije isto što i MUF.

ITU-R P.1239 daje modele i numeričke mape mjesečnih medijana foF2, M(3000)F2, foE, foF1, h'F i drugih karakteristika. To su statistički opisi, ne trenutna mjerenja. Za radio-amatera to znači da se kritične frekvencije mogu predvidjeti kao vjerovatnoće, ali ne kao garancije.

MUF, skip zona i LUF

MUF

Maksimalna upotrebljiva frekvencija (MUF) je, prema NOAA SWPC glosaru, najviša frekvencija koja omogućava pouzdanu HF radio-komunikaciju na datoj razdaljini preko jonosferskog prelamanja. Frekvencije iznad MUF prodiru kroz jonosferu.

MUF nije jednoznačan broj za cijeli opseg. On zavisi od putanje, doba dana, godišnjeg doba, Sunčeve aktivnosti i geomagnetskih uslova. ITU-R P.533-14 opisuje metodu predviđanja dostupnih frekvencija, nivoa signala i pouzdanosti HF kola. Metoda koristi analizu putanje zraka za dužine do 7000 km, s empirijskim formulama iznad 9000 km i prelazom između 7000 i 9000 km. Odvojeno se tretiraju E-sloj i F2-sloj za osnovni MUF, E-sloj screening frekvencija, i (u dijelu 3) najniža upotrebljiva frekvencija (LUF) zajedno s osnovnom pouzdanošću kola.

ITU-R P.533-14 izričito napominje da je vjerovatnoća unutar mjeseca da MUF pređe radnu frekvenciju statistička mjera podrške — ne garancija da će dati amaterski opseg biti otvoren. Takođe napominje da ekvatorijalni večernji sati mogu iskriviti predviđanja zbog regionalnih jonosferskih nestabilnosti koje nisu u potpunosti obuhvaćene modelom.

Skip zona

Kada se talas prelomi od jonosfere, na Zemlji postoji oblast između tačke gdje se talas vraća i tačke gdje bi se vratio da nema prelamanja — to je skip zona. U njoj se signal ne čuje direktno ni prelomljeno. Skip zona nije fiksna; mijenja se s frekvencijom, visinom sloja i geometrijom putanje.

Za radio-amatera to znači da na nekim razdaljinama unutar skip zone nema signala, dok se na većim razdaljinama signal pojavljuje. To je normalno ponašanje HF prostiranja, ne kvar stanice.

LUF

Najniža upotrebljiva frekvencija (LUF) je donja granica upotrebljivosti za dato kolo. ITU-R P.533-14 uključuje izračunavanje LUF u dijelu 3, zajedno s osnovnom pouzdanošću kola. LUF zavisi od apsorpcije: na nižim frekvencijama apsorpcija je veća, pa signal može biti preslab za pouzdanu komunikaciju.

Ne postoji univerzalna numerička tabela LUF koja bi važila za sve putanje. LUF je, kao i MUF, veličina zavisna od putanje, vremena i Sunčeve epohe. ITU-R P.533-14 je inženjerski metod, ne amaterski kalendar otvaranja opsega.

Napomena o slici: na ovom mjestu predviđen je dijagram HF prelomljene putanje, skip zone i odnosa MUF prema LUF, bez numeričkih garancija. Slika se dodaje naknadno.

Praktične tendencije po opsezima

Sljedeće su tipične tendencije, ne univerzalna pravila. Stvarno ponašanje zavisi od putanje, doba dana, godišnjeg doba, Sunčeve aktivnosti i geomagnetskih uslova.

80 m

Niži HF opseg. Danju D-region apsorpcija može biti izražena, pa su duge putanje otežane. Noću, kada D region oslabi, opseg je pogodniji za duže putanje. Ovo je tendencija, ne garancija.

40 m

Slično 80 m, ali nešto više frekvencije. Danju može biti upotrebljiv na kraćim razdaljinama, noću na dužim. Prelaz između dnevnih i noćnih uslova nije oštar.

20 m

Često kompromisan opseg za duge putanje. Zavisi od MUF: ako je MUF dovoljno visok, 20 m može raditi i danju i noću. Ako MUF padne, opseg može biti zatvoren.

15 m

Viši HF opseg. Obično zahtijeva viši MUF, pa je češće upotrebljiv danju i u periodima više Sunčeve aktivnosti. Noću može biti zatvoren.

10 m

Najviši od navedenih opsega. Najosjetljiviji na MUF. U periodima niske Sunčeve aktivnosti može biti dugo zatvoren; u periodima više aktivnosti može dati izuzetne duge putanje. „Viša Sunčeva aktivnost“ nije automatski bolja za sve putanje — geomagnetske smetnje mogu pokvariti uslove i na 10 m.

Godišnje doba i Sunčev ciklus

Godišnje doba mijenja ugao pod kojim Sunčevo zračenje pada na jonosferu, pa time i jonizaciju. ITU-R P.1239 modeluje foE i foF1 empirijskim formulama u zavisnosti od Sunčevog zenitnog ugla — što znači da su D, E i F1 izrazito zavisni od godišnjeg doba i doba dana.

Sunčev ciklus traje oko 11 godina. NOAA SWPC navodi da fluks fotona na EUV i rendgenskim talasnim dužinama varira skoro za faktor deset tokom tog ciklusa, a gustina jonosfere se mijenja s tim. To znači da se MUF, LUF i apsorpcija mijenjaju na skali godina, ne samo sati.

Praktična posljedica: opseg koji je bio otvoren prošle godine u isto doba dana možda neće biti otvoren ove godine. To nije kvar stanice ni antene.

Geomagnetske smetnje

Geomagnetske smetnje mijenjaju jonosferu. NOAA SWPC glosar definiše jonosfersku oluju kao F-region poremećaj povezan s geomagnetskom aktivnošću; često ima kratku pozitivnu fazu, a zatim duže opadanje. Isti izvor izričito napominje da to nije garancija da „visoka Sunčeva aktivnost pomaže HF“.

NOAA SWPC navodi i da Sunčeve baklje, promjene Sunčevog vjetra i geomagnetske oluje utiču na naelektrisanje jonosfere. Za radio-amatera to znači da se uslovi mogu naglo promijeniti, ponekad nabolje, ponekad nagore, zavisno od putanje i frekvencije.

Detaljnije objašnjenje indeksa Sunčeve i geomagnetske aktivnosti — SFI, SSN, Kp, A indeks, klasa rendgenskih baklji — prevazilazi obim ovog članka i biće obrađeno u budućem članku o svemirskom vremenu.

Šta ponijeti iz ovog članka

• Jonosfera nije ogledalo. Prelamanje u gradijentu elektronske gustine je fizički mehanizam; apsorpcija je gubitak energije.
• D region (40–90 km) je uglavnom dnevni i odgovoran za najveći dio apsorpcije na HF.
• E region (90–160 km) je dnevni i zavisi od Sunčevog zenitnog ugla.
• F region (iznad 160 km) sadrži F1 i F2; F2 je obično najvažniji za duge HF putanje.
• MUF, LUF i skip zona su veličine zavisne od putanje, vremena i Sunčeve epohe — ne fiksne vrijednosti.
• Dan/noć, godišnje doba, Sunčev ciklus i geomagnetske smetnje mijenjaju uslove; visoka Sunčeva aktivnost nije automatski bolja za sve putanje.
• Tipične tendencije po opsezima 80/40/20/15/10 m su korisne kao orijentacija, ne kao garancija otvaranja.

Za dublje razumijevanje Sunčevih i geomagnetskih indeksa pogledati budući članak o svemirskom vremenu.