Propagacja fal ultrakrótkich

 

Troposfera a propagacja fal ultrakrótkich.

Propagacja fal ultrakrótkich, w najniższych warstwach atmosfery ziemskiej jest uzależniona od warunków meteorologicznych, które powodują załamywanie się fal radiowych w troposferze. Wpływ troposfery na zachodzącą w niej refrakcję fal radiowych określa współczynnik refrakcji troposferycznej:

        __
n = Öer                     gdzie:

n - współczynnik refrakcji troposferycznej,

er - wzgledna przenikalność powietrza.

Przenikalność dielektryczna powietrza zależy od jego wilgotności, ciśnienia atmosferycznego i temperatury. Wartość gradientu współczynnika refrakcji zmienia się w dużym zakresie, wpływając na zmianę stopnia załamywania się fal elektromagnetycznych. Powoduje to zwiększenie lub skrócenie zasięgu stacji nadawczej. Troposferę standardową definiują następujące wartości:

  • ciśnienie powietrza 1013 hPa,
  • ciśnienie pary wodnej 1000 Pa,
  • spadek ciśnienia pary o 330 Pa ze wzrostem wysokości o jeden kilometr,
  • spadek temperatury o 6 stopni celsjusza ze wzrostem wysokości o jeden kilometr.

Dla troposfery standardowej wartości er i maleją ze wzrostem wysokości. Zmniejszenie się stałej dielektrycznej powietrza ze wzrostem wysokości powoduje zmiany toru fal elektromagnetycznych, których prędkość fazowa jest odwrotnie proporcjonalna do współczynnika załamania ośrodka. Prędkość propagacji fal rośnie z wysokością, powodując niewielkie zakrzywienie ich toru do powierzchni ziemi. Efektem jest pewien wzrost zasięgu nadajnika ultrakrótkofalowego poza horyzont geometryczny na odległość tzw. horyzontu radiowego. Przy wyznaczaniu efektywnego zasięgu nadajnika UKF stosuje się pojęcie horyzontu radiowego, określanego wzorem uwzględniającym wpływ refrakcji standardowej.

Horyzont geometryczny można obliczyć ze  wzoru:

                   __
D1= 3,57*Ö hn                                                        gdzie:

D1 - odległość horyzontu geometrycznego w km

Hn - wysokość anteny nadawczej w m. (antena odbiorcza znajduje się na poziomie ziemi)

Jeżeli obie anteny są umieszczone na pewnej wysokości, całkowity zasięg geometryczny jest równy sumie zasięgów poszczególnych anten:

                    __      __
D2= 3,57*(Ö hn + Ö ho) [km]              gdzie:

ho - wysokość anteny odbiorczej

Gdy refrakcja troposferyczna jest większa od standardowej, co ma miejsce, gdy przenikalność dielektryczna szybko maleje z wysokością, fala w większym stopniu ugina się do powierzchni ziemi i zasięg nadajnika ultrakrótkofalowego wzrasta znacznie poza horyzont radiowy. Refrakcja taka nazywa się dodatnią. Może wystąpić również refrakcja ujemna. Powstaje ona, gdy przenikalność dielektryczna powietrza szybko rośnie z wysokością, co zachodzi, gdy wilgotność powietrza silnie wzrasta z wysokością lub gdy temperatura szybko obniża się ze wzrostem wysokości. Przy refrakcji ujemnej tor fal ulega zakrzywieniu ku górze, zmniejszając zasięg nadajników. Zjawisko refrakcji ujemnej występuje znacznie rzadziej od refrakcji dodatniej
i praktycznie zachodzi jedynie w ekstremalnych warunkach atmosferycznych. Dobowe wahania gradientu współczynnika refrakcji i jednoczesne fluktuacje natężenia pola występują często latem, podczas pogodnych, bezchmurnych dni, gdy powierzchnia ziemi silnie ogrzewa się podczas dnia, a w nocy intensywnie ochładza. Przyziemne warstwy powietrza, ogrzewaj±ce się od powierzchni ziemi wywołują konwekcję oraz turbulentny ruch powietrza ku górze, powodując mieszanie się mas powietrznych. Po zachodzie słońca turbulencja powietrza powoli maleje. Następuje szybkie oziębienie się powierzchni ziemi oraz towarzyszące mu znacznie szybsze ochłodzenie się przyziemnych warstw powietrza w porównaniu z górnymi.
W wyniku tego zjawiska temperatura nie obniża się ze wzrostem wysokości, ale wzrasta, co określa się inwersją temperatury.
Przyczyną wystąpienia inwersji temperatury może być przesuwanie się ciepłego i suchego powietrza znad lądu nad chłodniejszą powierzchnię morza. Tak specyficzny rozkład temperatury wywołuje szybkie zmniejszenie się przenikalności dielektrycznej powietrza wraz ze wzrostem wysokości, a tym samym silniejsze zakrzywienie toru fal ku powierzchni ziemi. Bezpośrednim tego skutkiem jest wzrost natężenia pola elektromagnetycznego. Zjawisko to występuje najczęściej wieczorem, w nocy oraz nad ranem przez kilka godzin po wschodzie słońca. Największe fluktuacje natężenia pola mają miejsce w południe. Podczas dni pochmurnych, gdy gęste chmury izolują powierzchnię ziemi przed nagrzewaniem w ciągu dnia, dobowe fluktuacje natężenia pola praktycznie nie występują.


Jonosfera a propagacja fal ultrakrótkich.

Jonosfera wpływa na propagację fal ultrakrótkich przez refrakcję w warstwie F2 w okresach wzmożonej aktywności słonecznej oraz przez refrakcję w obszarze jonizacji sporadycznej F1 ponadto przez rozproszenie jonosferyczne i odbicia od sporadycznie tworzącej się warstwy Es. Obserwacje rozchodzenia się fal ultrakrótkich doprowadziły do wniosku, że spośród stałych warstw jonosferycznych najpoważniejszą rolę w propagacji jonosferycznej odgrywa warstwa F2. Częstotliwości ulegające refrakcji w warstwie F2 w okresach dużej aktywności słonecznej leżą w zakresie 50 do 60 MHz. Niewielką rolę odgrywa warstwa F1, w której refrakcja fal ultrakrótkich zachodzi tylko wyjątkowo, na małych szerokościach geograficznych, w godzinach południowych w okresach maksymalnej aktywności słonecznej. Okresowo w jonosferze na wysokości obszaru E pojawia się silnie zjonizowana warstwa, zwana warstwą sporadyczną Es. Propagacja poprzez warstwę Es ma miejsce w strefie równikowej, w obu strefach umiarkowanych i w obu strefach zorzy polarnej. W każdym z tych obszarów największe prawdopodobieństwo odbić sporadycznych osiąga swoje maksimum w innej porze doby. W strefie umiarkowanej odbicia od warstwy Es zachodzą wyłącznie w porze dziennej, z jednakową intensywnością w ciągu całego roku. Przeciwne zjawisko obserwuje się w strefach zorzy polarnej, gdzie maksimum odbić sporadycznych przypada na porę nocną. W strefach umiarkowanych dalekosiężna propagacja fal ultrakrótkich za pośrednictwem warstwy Es pojawia się najczęściej w okresie letnim (maj-wrzesień) w godzinach dziennych, tj. od 10 do 15 , niekiedy drugie dobowe maksimum ma miejsce między godziną 17 a 23. Zasięg propagacji sporadycznej fal ultrakrótkich poprzez warstwę Es praktycznie jest ograniczony do 2000 km. tj. do jednego skoku fali.