Jonosfären (fördjupning)

Grunderna om jonosfären, solfläcksaktiviteten och den så kallade ”döda zonen” har vi redan gått igenom. Här fördjupar vi dessa ämnen och lägger till fler aspekter av vågutbredningen.

Strålningen från solen slår loss elektroner från syre- och kväveatomer och -molekyler i den övre atmosfären (jonisering). Dessa fria elektroner sätts i svängning av radiovågor med lämplig frekvens, och det leder till att vågorna bryts tillbaka mot jordytan. Som du ser i figur UPPGRADERING-2.8.1 ger den riktningsändring som refraktionen – alltså brytningen – orsakar intrycket av att vågorna reflekteras.

Den här processen ger framför allt kortvågen dess unika egenskaper. Tätheten hos de fria elektronerna avgör vilka frekvenser som fortfarande kan brytas: ju högre täthet, desto högre frekvens. Därför behöver vi hög jonisering, och alltså mycket solstrålning, för de övre kortvågsbanden. Det är därför som 10 m-bandet ($\qtyrange{28,0}{29,7}{\mega\hertz}$) är särskilt användbart på dagtid under solfläcksmaximum – även med låg sändareffekt.

Den här alternativtexten har ännu inte granskats.

1) Kort beskrivning: Schematisk grafik över radiovågsutbredning med markvåg, en böjd röd bana genom skikt av streckade bågar och en ”Tote Zone” (döda zonen) mellan två antennsymboler.

2) Detaljerad beskrivning: Nedtill löper en svart, lätt krökt linje som mark; i båda ändar står små, öppna triangelformade antennsymboler. Till vänster startar en tjock, röd stråle som stiger bågformigt, når en avrundad topp och faller till höger mot den andra antennen. Längs den övre delen av denna röda båge står med rött ”Refraktion” (refraktion). Ovanför toppunkten är ett grått, streckat V inritat; ovanför texten ”Scheinbare Reflexion” (skenbar reflektion). Parallellt över marken drar flera grå, streckade, nedåt krökta linjer genom bilden; till vänster är de märkta ”D”, ”E”, ”F1”, ”F2”, till höger med höjderna ”50 km”, ”90 km”, ”130 km”, ”200 km”, ”400 km”; närmare marken står dessutom ”10 km” vid ytterligare en streckad linje. På marklinjen löper från den vänstra antennen en röd pil märkt ”Bodenwelle” (markvåg) åt höger. På mitten över marken står texten ”Tote Zone”. — Figur UPPGRADERING-2.8.1: Refraktion i jonosfärens skikt

Å andra sidan vill de fria elektronerna genast förenas med atomkärnorna igen till neutrala atomer (rekombination) och förlorar då den brytande effekten. Eftersom jonisering och rekombination pågår hela tiden i solljuset inställer sig en jämvikt mellan de två processerna på vissa höjder. Dessa områden kallas regioner (ibland ”skikt”).

För kortvågsområdet är tre regioner i jonosfären särskilt viktiga: D-, E- och F-regionen, som visas i figurerna UPPGRADERING-2.8.1 och UPPGRADERING-2.8.2. Du behöver ha en grundläggande, kvalitativ förståelse av regionerna. Du bör veta att F-regionerna, som är särskilt viktiga för långdistansförbindelser (DX) på kortvåg, ligger på en höjd av ungefär 130 till 450 kilometer. För HAREC behöver du dessutom kunna ange de exakta höjderna för de olika regionerna dag och natt.

Den här alternativtexten har ännu inte granskats.

1) Sammanfattning: Ett diagram med tre bredvid varandra placerade sektorer (”Sommertag” (sommardag), ”Wintertag” (vinterdag), ”Nacht” (natt)) visar färgade, böjda skikt över en blå jordyta och en höjdskala från 100 km till 400 km.

2) Detaljerad beskrivning: Vid nedre kanten löper en blå, bågformad linje som jordyta. Tre svarta, utåt spretande linjer delar upp grafiken i de märkta avsnitten ”Sommertag”, ”Wintertag” och ”Nacht”. Till vänster står höjdangivelserna ”100 km”, ”200 km”, ”300 km” och ”400 km”. I varje avsnitt ligger bågformade, färgade band ovanpå varandra, parallellt med jordytan, delvis åtföljda av grå streckade linjer. I avsnittet ”Sommertag” följer uppifrån och ned: ett grått band med bokstaven ”D”, ovanför det ett gult band med ”E”, ovanför det två rödaktigt orange band med beteckningarna ”F1” (lägre) och ”F2” (högre). I avsnittet ”Wintertag” står uppifrån och ned: ett grått band med ”D”, ovanför det ett gult band med ”E”, ovanför det ett rödaktigt orange band med ”F”. I avsnittet ”Nacht” är nedtill ett grått band med bokstaven ”D” svagt antytt; högre upp ligger ett rödaktigt orange band med ”F”. I alla tre avsnitten är dessutom flera grå, streckade bågar utan andra etiketter inritade. — Figur UPPGRADERING-2.8.2: Regioner beroende av årstid och tid på dygnet

D-regionen

Den lägsta av de tre är D-regionen på ungefär $\num{50}$ till $\qty{90}{\kilo\meter}$ höjd. Här är gastätheten fortfarande så hög att de elektroner som sätts i svängning snabbt kolliderar med andra partiklar. Radiovågen förlorar då energi. D-regionen dämpar alltså vågorna, upp till fullständig utsläckning. Effekten minskar med stigande frekvens och är ovanför cirka $\qty{10}{\mega\hertz}$ inte längre betydande.

När ingen solstrålning kommer efter solnedgången rekombinerar elektronerna direkt och D-regionen försvinner i praktiken. Därför är de lägre kortvågsbanden, till exempel $\qty{80}{\meter}$ och $\qty{160}{\meter}$, (liksom lång- och mellanvågen) i stort sett tomma på dagtid, för då kan radiovågorna bara breda ut sig som markvåg, eftersom rymdvågen i princip sväljs av D-regionen.

E-regionen

På $\num{90}$ till $\qty{130}{\kilo\meter}$ höjd följer E-regionen. Under normala förhållanden bryter den snett infallande radiovågor upp till ungefär $\qty{10}{\mega\hertz}$, och med ett hopp kan något mer än $\qty{2000}{\kilo\meter}$ överbryggas. Även E-regionen försvinner inom några minuter efter solnedgången.

I denna region förekommer i tempererade breddgrader, framför allt under sommarmånaderna, ett särskilt fenomen, sporadiskt E-skikt (kort Es). Det består av oftast småskaliga, kraftigt joniserade områden och kan bryta radiovågor med mycket högre frekvens, ända upp till $\qty{2}{\meter}$-bandet.

1) Kort beskrivning: Halvcirkelformad grafik med sändare till vänster och mottagare till höger; ett gult och ett rosafärgat skikt över den blåmarkerade jorden; ellipsformad figur märkt ”Sporadisk E” i det gula skiktet; två streckade linjer som leder utåt genom skikten och en genomgående linje som leder från sändaren till den ellipsformade figuren och vidare till mottagaren.
2) Utförlig beskrivning: Den halvcirkelformade grafiken visar jonosfärens läge med två koncentriskt placerade, bågformade skikt ovanför jorden, som är ritad i blått nedtill, samt VHF-signalernas förlopp. På jorden står till vänster och höger en liten svart antennsymbol vardera, märkta ”Sändare” (vänster) och ”Mottagare” (höger). Från sändaren leder två streckade, röda linjer i olika vinklar först genom ett smalt gult skikt och sedan genom ett brett rosafärgat skikt och slutar vid övre bildkanten. En genomgående röd linje leder från sändaren upp till en ellipsformad figur i det gula skiktet och ned till mottagaren. Den ellipsformade figuren är märkt ”Sporadisk E”. — Figur UPPGRADERING-2.8.3: Refraktion (brytning) av radiovågor i starkt joniserade områden i E-skiktet

F-regionen

Ovanför finns slutligen F-regionen, som på dagtid delar upp sig i F1 och den ovanförliggande F2-regionen. Den senare kan sträcka sig upp till $\qty{450}{\kilo\meter}$ höjd och är viktigast för kortvågsutbredningen. Dels gör den större höjden att avstånd på upp till $\qty{4000}{\kilo\meter}$ kan överbryggas med ett hopp. Dels gör den låga gastätheten på dessa höjder att det tar mycket lång tid innan fria elektroner hittar en jon att rekombinera med. Därför finns det alltid tillräckligt många fria elektroner för att bryta kortvågor. Antalet, och därmed tätheten, minskar dock när solinstrålningen avtar, och därmed också den högsta frekvens som ännu bryts tillbaka. Därför stänger de övre banden först.

När E-regionen inte finns kvar på natten går all långdistanstrafik via F-regionen.

För jonisering behövs strålning i det extrema ultravioletta området och röntgenområdet. Intensiteten hos den strålning som solen alstrar följer flera cykler. Den viktigaste – som vi redan har lärt oss – är den ungefär elvaåriga solcykeln (se figur UPPGRADERING-2.8.4).

1) Kort beskrivning: Diagram med en horisontell axel ”År” och en vertikal axel ”Solfläckar i medeltal per månad”; skalmarkeringar på den horisontella axeln vid ”1750” (origo), ”1800”, ”1850”, ”1900”, ”1950” och ”2000”, på den vertikala axeln vid ”0” (ovanför origo), ”50”, ”100”, ”150”, ”200”, ”250” och ”300”; genomgående, vågformad blå linje med spetsiga maxima och djupa minima med ungefär 1 års mellanrum; maximas höjd varierar kraftigt.
2) Utförlig beskrivning: Ett koordinatsystem har en horisontell axel märkt ”År” och en vertikal axel märkt ”Solfläckar i medeltal per månad”. Det finns skalmarkeringar vid ”1750” (origo), ”1800”, ”1850”, ”1900”, ”1950” och ”2000” på den horisontella axeln och vid ”0” (ovanför origo), ”50”, ”100”, ”150”, ”200”, ”250” och ”300” på den vertikala axeln. En genomgående, vågformad blå linje med spetsiga maxima och djupa minima med ungefär 1 års mellanrum löper från vänster till höger. Maximas höjd varierar mycket sinsemellan. — Figur UPPGRADERING-2.8.4: Antalet solfläckar, som varierar över den elvaåriga solcykeln

Under aktivitetsmaximum når solaktiviteten en särskilt hög nivå och ger kraftig jonisering av F-regionen. Då kan alla övre kortvågsband och ibland till och med $\qty{6}{\meter}$-bandet användas för DX-förbindelser, medan frekvensbanden ovanför $\qty{20}{\meter}$-bandet (till exempel $\qty{10}{\meter}$) under aktivitetsminimum oftast inte går att använda.

Fortsätt till nästa avsnitt: Jonosfären (HAREC)