Podstawowe pojęcia

Zagadnienia związane z propagacją to obszerny i w niektórych aspektach fascynujący – nawet dla laika – dział fizyki. Na szczęście nie trzeba być fizykiem po to, aby być krótkofalowcem i odnosić sukcesy w zawodach. Jednakże chyba nie ma żadnych wątpliwości co do tego, że zrozumienie niektórych zjawisk związanych z propagacją fal radiowych pomaga w efektywniejszym wykorzystaniu pasm amatorskich i pozwala na właściwą interpretację współczynników podawanych w prognozach propagacyjnych.

Warto więc wkroczyć nieco głębiej w sferę tych zagadnień.

Atmosfera ziemska

Docierające do atmosfery z powierzchni naszej planety fale radiowe mogą być odbijane od poszczególnych warstw atmosfery. Dzięki temu możliwe jest nawiązywanie łączności z odległymi stacjami. To, w jaki sposób są odbijane fale (czyli sposób rozchodzenia się fal radiowych), zależy w dużej mierze od zjawisk zachodzących w poszczególnych warstwach atmosfery.

Wieloletnie obserwacje atmosfery ziemskiej pozwoliły na wyodrębnienie w niej kilku obszarów (warstw) o podobnym zachowaniu i zbliżonych właściwościach fizycznych. W literaturze naukowej nie ma jednolitej terminologi, określającej warstwy atmosfery. Dla radioamatorów najbliższa jest terminologia przedstawiona w dalszej części rozdziału – stosowana w meteorologii.

Troposfera

Troposfera jest warstwą atmosfery położoną najbliżej naszej planety. W tym obszarze wraz ze wzrostem wysokości obszarze temperatura dość szybko maleje. W troposferze zachodzą widoczne na ziemi zjawiska atmosferyczne – tutaj m.in. formują się chmury, których niepowtarzalne kształty często podziwiamy. Troposfera jest obszarem, w którym mogą zachodzić gwałtowne, szybkie zmiany, takich czynników jak temperatura, ciśnienie czy gęstość powietrza. Te czynniki mogą mieć wpływ na niektóre rodzaje propagacji. Dzięki swoim fizycznym właściwościom troposfera posiada zdolność załamywania fal radiowych.

Stratosfera

Stratosfera to obszar położony pomiędzy troposferą i jonosferą. W tej warstwie atmosfery temperatura jest praktycznie stała a ilość pary wodnej jest bardzo mała. Ten obszar atmosfery ma znikomy wpływ na sposób rozchodzenia się fal radiowych.

Jonosfera

Większość obszarów atmosfery jest elektrycznie obojętna, ale nie jonosfera. Jonosfera – jak mówi już sama jej nazwa – jest warstwą atmosfery podlegającą jonizacji, będącej efektem promieniowania słonecznego (często określanego także mianem wiatru słonecznego). Jonosfera ma największe znaczenie dla nawiązywania dalekich łączności.

Odkrycie jonosfery było efektem pracy wielu uczonych, zajmujących się różnymi dziedzinami nauki. W drugiej połowie XIX wieku James Clerk Maxwell ogłosił wyniki swoich badań, stanowiących podstawę teorii pola elektromagnetycznego. Wysunął m.in. koncepcję, że światło także jest swoistą formą fali elektromagnetycznej.

Odkrycia Maxwell’a w praktyce wykorzystał na przełomie XIX i XX wieku Marconi, przesyłając i odbierając komunikaty za pośrednictwem fal elektromagnetycznych. Nadawane sygnały były odbierane na stacji odbiorczej, która znajdowała się poza zasięgiem wzroku. Marconi domyślał się, że fala elektromagnetyczna musi być odbijana od atmosfery, dzięki czemu może docierać dalej niż by można się spodziewać.

W roku 1902 Oliver Heaviside i Arthur Kennelly, znając wyniki prac Marconiego, wysunęli teorię, że w atmosferze istnieje nieobojętna elektrycznie warstwa, posiadająca zdolności odbijania fal radiowych. Nie mylili się – taka warstwa rzeczywiście istnieje, jest to właśnie jonosfera.

Zmiany zachodzące w jonosferze

Powszechnie uważa się, że przestrzeń znajdująca się poza obszarami ziemskiej atmosfery jest próżnią. Nie jest to jednak próżnia doskonała. W rzeczywistości znajdują się tam cząsteczki, podlegające działaniu Słońca. Górne warstwy atmosfery słonecznej (korona) są bardzo gorące. To powoduje, że niektóre cząsteczki wodoru i helu są w stanie przezwyciężyć siłę grawitacji gwiazdy i wyruszyć w podróż w kosmiczną przestrzeń. Te cząsteczki gazu są bardzo gorące i podlegają ciągłemu działaniu słonecznej energii. W rzeczywistości stanowią zjonizowaną plazmę. Ta plazma, docierająca ze Słońca to właśnie tak zwany wiatr słoneczny.

Właściwości jonosfery nie są stałe: podlegają dynamicznym zmianom, których źródłem jest m.in. aktywność słoneczna. Energia promieniowania słonecznego, docierając do warstw jonosfery, powoduje wyzwalanie wolnych elektronów z cząsteczek gazów – proces ten nazywamy jonizacją. Wyzwalanie wolnych elektronów powodowane jest przede wszystkim przez promieniowanie ultrafioletowe. Im bliżej powierzchni Ziemi, tym bardziej wzrasta gęstość powietrza, ale jednocześnie maleje energia promieniowania zdolnego do wyzwolenia wolnych elektronów. W dolnych warstwach jonosfery jonizacja jest przede wszystkim efektem działania promieni rentgenowskich oraz promieniowania kosmicznego.

Zmiany stanu właściwości jonosfery są także efektem wpływu termosfery – obojętnej elektrycznie warstwy atmosfery, która znajduje się nad jonosferą. Promieniowanie słoneczne sprawia, że w jonosferze znajdują się regiony o zwiększonej ilości jonów o dodatnim ładunku elektrycznym oraz wolnych elektronów o ładunku ujemnym. Te ostatnie w istotny sposób wpływają na zachowanie fal radiowych, powodując ich odbijanie lub zaginanie ich toru.

Zmiany zachodzące w atmosferze można podzielić na dwie zasadnicze grupy: zmiany o charakterze cyklicznym (powtarzające się) oraz zmiany nieregularne, będące efektem gwałtownych zjawisk zachodzących na Słońcu. Zarówno jedne jak i drugie zjawiska mają istotny wpływ na propagację fal radiowych, jednakże zmiany o charakterze cyklicznym ze względu na swą powtarzalność w ciągu doby, pozwalają tworzyć prognozy propagacyjne. Z takich prognoz powszechnie korzystają krótkofalowcy. Wśród zmian o charakterze cyklicznym literatura wymienia takie, których cykliczność zachodzi w ciągu doby, zmiany zachodzące w cyklach 27 dniowych, zmiany zachodzące w cyklu 11 letnim oraz zmiany związane z porami roku.

Warstwy jonosfery i zmiany ich właściwości w ciągu doby

Obserwacja jonosfery pozwoliła na wyodrębnienie kilku jej warstw:

• * Warstwa D. Najniższy obszar jonosfery (60 – 90 kilometrów nad powierzchnią ziemi). Gęstość powietrza w tej warstwie jest na tyle duża, że efekty jonizacji są bardzo krótkotrwałe: wolne elektrony bardzo szybko ponownie łączą się z jonami, tworząc cząsteczki obojętne elektrycznie. Warstwa D występuje tylko w ciągu dnia i posiada zdolność absorpcji fal elektromagnetycznych, szczególnie fal o częstotliwości poniżej 7MHz. W nocy, kiedy atmosfera nie podlega bezpośredniemu działaniu energii promieniowania słonecznego, warstwa D zanika, umożliwiając przeprowadzanie dalekich łączności na niskich pasmach.
• * Warstwa E. Znajduje się na wysokości 100 – 125 kilometrów. W tej warstwie wolne elektrony także dość szybko łączą się z jonami. Warstwa jest aktywna przede wszystkim w ciągu dnia, kiedy dociera do niej energia promieniowania słonecznego. W nocy stopień jonizacji jest bardzo niewielki i warstwa E praktycznie zanika. Należy jednak pamiętać, że jonizacja tej warstwy w okresach nocnych jest bardziej intensywna w latach zwiększonej aktywności słonecznej. Warstwa E posiada zdolności odbijania fal radiowych o częstotliwościach poniżej 5MHz. Jednocześnie posiada zdolności absorpcji fal o wyższych częstotliwościach.
• * Warstwa Es: nazywana jest także sporadyczną warstwą E, a w krótkofalarstwie po prostu terminem „sporadyczna”. Występuje na wysokościach od 80 do 120 kilometrów i posiada zdolność odbijania fal radiowych z pasm VHF (30 – 300 MHz) oraz niższych częstotliwości pasm UHF (300-3000 MHz). Dotychczas nie udało się zbadać, w jaki sposób powstaje warstwa Es. Wiadomo, że najczęściej występuje w miesiącach letnich. Odbicie od warstwy sporadycznej E pozwala na nawiązywanie łączności na odległości około 400km – 2000km. Dla takich łączności charakterystyczny jest stabilny sygnał. Stacje z prostym wyposażeniem (antena GP i moc rzędu kilku watów) z powodzeniem przeprowadzają dalekie łączności przez odbicie od warstwy Es.
• * Warstwa F. Jest to obszar o największym znaczeniu dla rozchodzenia się fal radiowych na falach krótkich. W ciągu dnia obszar ten dzieli się na dwie warstwy oznaczane jako F1 oraz F2. Energia promieniowania słonecznego powoduje, że z warstwy F wydzielają się dwie warstwy (F1 i F2) o nieco odmiennych właściwościach. W ciągu nocy właściwości warstw F1 i F2 stają się praktycznie identyczne i warstwy te łączą się w jeden obszar nazywany warstwą F. Poziom jonizacji w warstwie F w dużym stopniu zależy od ilości energii promieniowania słonecznego. Ze względu na znacznie mniejszą niż w niższych warstwach gęstość powietrza, zjawisko ponownego łączenia się wolnych elektronów z jonami jest tutaj mniej intensywne. Poziom jonizacji w warstwie F podlega znacznie intensywniejszym zmianom niż w niższych warstwach jonosfery. Jest ponadto zależny od pory dnia, pory roku oraz aktywności słonecznej.
  • * Warstwa F1: warstwa F1 występuje tylko w ciągu dnia, na wysokościach 150 – 200 km. Maksymalny poziom jonizacji warstwy F1 ma miejsce w południe. Kilka godzin po zachodzie słońca warstwa F1 łączy się z F2. Warstwa F1 posiada zdolność odbijania fal radiowych o częstotliwościach nie wyższych niż 10MHz.
  • * Warstwa F2: warstwa występuje na wysokości rzędu 250 – 400 kilometrów, a czasem sięga nawet 600 km. Wysokość, na której występuje warstwa F2, zależy od lokalizacji stacji: wysokość ta maleje wraz ze wzrostem szerokości geograficznej. Około godzinę przed wschodem słońca warstwa F zaczyna „dzielić się” na warstwy FI i F2. Warstwa F2 posiada zdolności odbijania fal radiowych o częstotliwościach do 50 MHz. W okresach dużej aktywności słonecznej czasem współczynnik MUF może sięgać 70MHz.

Ponad obszarami jonosfery gęstość powietrza jest bardzo mała. Poziom jonizacji jest tam na tyle niski, że ma znikome znaczenie dla zjawisk związanych z rozchodzeniem się fal radiowych.