Raadiolainete levimine

Allikas: Traadita Wiki by Jan & Co.

Ground & space wave e. Pinna- ja ruumilained

Antennist kiirgunud raadiolaine võib vastuvõtjani jõuda maa lähedal leviva pinnalainena või ionosfäärist peegeldunud ruumilainena. Pinnalained levivad maapinna vahetus läheduses, jälgides Maa kumerust ja ulatudes niiviisi, erinevalt valgusest, otsese nähtavuse piirist kaugemale. Mida väiksem on lainepikkus, seda suurem on pinnalaine neeldumine ja lühem tema levikaugus. Suure võimsusega kesklainesaatjat on pinnalainete vahendusel kuulda mitmesaja kilomeetri kauguselt, lühilainete puhul on see vahemaa mõniteist või mõnikümmend kilomeetrit. Lainete levimise kaugust võivad mõjutada mitmed tegurid, nagu saatja võimsus, kasutatav antenn ja maastiku iseärasused. Ruumilained on see osa kiiratud lainetest, mis lahkuvad maapinnalt ja jõuavad ionosfäärini. Mis siis juhtub, vaatame allpool.

Ionosfäär

Ionosfäär on Maa ümber olev ioone ja elektrone sisaldav elektriliselt aktiivne atmosfäärikiht, mis tekib Päikeselt Maa atmosfääri jõudvate elektromagnetkiirguse ja elementaarosakeste toimel. Ionosfäär algab umbes 50 kilomeetri kõrguselt ja ulatub 650 kilomeetri kõrgusele, öösel tema ulatus ja aktiivsus väheneb. Ionosfääril saab eristada erinevate omadustega kihte, mida alates madalamast tähistatakse tähtedega “D”, “E” ja “F”. Sõltuvalt ionosfäärini jõudnud laine iseloomust, kohtumisnurgast ja kihist, võib raadiolaine neelduda, peegelduda või ka kihist läbi kulgeda.

D- ja E-kihti öisel ajal praktiliselt ei eksisteeri. Samuti ei oma nad raadiolevis erilist tähtsust. F-kiht asub maapinnast 140-300 km kõrgusel. Kuna see on väga paks kiht, siis mängib ta ka raadiolevi seisukohast tähtsat rolli. F-kiht jaguneb päevasel ajal veel omakorda kaheks kihiks – F1 ja F2, kuid öösel need kihid kombineeruvad. F2 kihti öösel üldse ei eksisteeri ja ta hakkab tekkima alles päikesetõusul. Päeva lõpuks on F2 kiht ioniseeritud palju tugevamini kui F1, kuid päikese loojudes hakkab see kiht jälle kahanema.

Ionosf22r.png

Kuna ionosfäär on tekitatud päikeseenergia mõjul, siis on ionosfääri omadused Päikesest tugevasti sõltuvad. Nii muutuvadki ionosfääri omadused aastaaegade, päevade ja isegi tundide lõikes. Päikesepaistelise ilmaga suvisel ajal on ionosfäärne levi kõige parem, talvisel ööl kõige halvem.

Ionosfääri peegeldaval efektil on ka üks halb omadus – lisaks kasulikule signaalile peegeldab ionosfäär paljusid mürasid, mis soodustab mürade levimist kaugete vahemaade taha. Seetõttu on kasutatavas sagedusvahemikus müratase väga kõrge. Põhiliseks müradeallikaks on äike, mis oma tugevate, kuid laia spektriga müradega risustab ionosfäärse levi raadioeetrit. Üle kogu Maa on samal ajal paljudes kohtades äikest, mille mürad levivad mitmekordsete ionosfääri peegelduste tõttu kaugele ja tõstavad mürataseme kõrgeks. Teiseks müradeallikaks on industriaalsed mürad, mis analoogselt äikese müradele võivad peegelduste tõttu levida kaugele. Järgmisel diagrammil on kujutatud atmosfäärsete mürade taset võrreldes soojusmüraga. Näeme, et just sagedustel kuni 30 MHz on müratase väga kõrge.

Kõrge mürataseme tõttu tuleb ionosfäärses sides kasutada võimsaid saatjaid ja väga efektiivseid saateantenne. Ionosfääri kihtideni jõudnud raadiolaine võib selle läbida või maa suunas tagasi peegelduda. Raadiolainete peegeldumine ionosfääris on tegelikult pigem kaardumine, mis ei toimu ühes konkreetses punktis, vaid paksema ionosfääri osa ulatuses (vt joonis all).

See, kas raadiolaine läbib ionosfääri või peegeldub tagasi, sõltub laine levimise nurgast ja sagedusest. Vertikaalselt otse üles suunatud raadiolained peegelduvad ionosfääri kihtidelt tagasi, kui nende sagedus ei ületa kriitilist sageduse väärtust 1 – 13 MHz, mis oleneb samuti ionosfääri olukorrast. Väikese nurga all ionosfääri kihtidele langev raadiolaine peegeldub osaliselt tagasi.

Lisaks öö-päeva vaheldumisele mõjutab ionosfääri seisundit Päikese aktiivsuse tsükkel. Iga 11 aasta tagant saavutab päikeseplekkide arv maksimumi. Ehkki plekid paistavad silmale tumedad, kiirgavad nad tunduvalt rohkem silmale nähtamatut ultraviolettkiirgust, mis suurendab ionosfääri aktiivsust. NB! Ärge kunagi vaadake otse Päikesesse, isegi mitte läbi tumeda klaasi! Nii võib nägemise jäädavalt rikkuda. Kui plekkide arv on miinimumis, väheneb ionosfääri aktiivsus tunduvalt.

Sagedused 30-300 kHz võimaldavad stabiilset sidet pika vahemaa taha. Need lained levivad maapinnal mõnisada kilomeetrit, kuid tänu (mitmekordsele) peegeldusele ionosfäärilt võib levi ulatuda kokkuvõttes tuhandete kilomeetriteni. Nende sageduste juures on põhiliseks probleemiks antenni mõõtmed ja suur võimsustarve. Kuna 30 kHz sagedus levib hästi vee sisse, siis kasutatakse seda sagedusvahemikku allveelaevasides.

Sagedustel 300 kHz-3 MHz on märgata leviomaduste erinevust päevasel ja öisel ajal. Päeval sumbuvad lained suurel määral atmosfääris, aga öösel peegelduvad E-kihilt tagasi ja levivad märksa kaugemale. Kasutatakse lennu- ja laevanavigatsioonis.

Sagedused 3-30 MHz levivad pikema vahemaa taha just põhiliselt ionosfääri kaudu ning levi on siin seotud peegeldava kihi kõrguse muutusega ja on seepärast suhteliselt ebastabiilne. Levi on tagatud küll saatja lähiümbruses (otselevi) ja saatjast kaugel (peegeldused ionosfäärilt), kuid nende vahel tekib nn vaikusetsoon kus saatja signaali ei saa vastu võtta. Kasutatakse lennu- ja laevanavigatsioonis.

Sagedustel üle 30 MHz olulist lainete peegeldumist ionosfääri kihtidelt ei toimu. Sagedustel üle 300 MHz on ionosfäär raadiolainetele juba praktiliselt läbipaistev, mistõttu toimub ka kosmiline raadioside just detsimeeter-, sentimeeter- ja millimeeterlainetel.

Ruumilaine peegeldumine ja kauglevi. “Surnud tsoon”.

Kui ruumilaine ionosfäärist peegeldub, siis suundub ta Maale tagasi. Maapinnale jõudmise koht asub seejuures mitmesaja või koguni mitme tuhande kilomeetri kaugusel laine kiirgumiskohast. Maapind omakorda võib uuesti lainet peegeldada ja suunata ta uuesti ionosfääri, kus kõik kordub. Soodsate tingimuste korral on võimalik sidet pidada ka jaamast kõige kaugemal asuvate punktidega. On juhtunud ka seda, et operaator kuuleb omaenese signaali, mis on ümber maakera uuesti temani jõudnud. Selline peegeldumine on iseloomulik lühilainetele, nagu sellest tingitud teinegi efekt: “surnud tsoon”. Kuna pinnalaine levib mõnekümne kilomeetri kaugusele ja peegeldunud laine jõuab uuesti Maale väga kaugel, jääb vahepeale ala, kus signaali ei ole kuulda. Mida kõrgem on sagedus, seda väiksem on pinnalaine leviulatus ja seda laiem vaikuseala. “Surnud tsooni” esinemine oli ka põhjuseks, miks lühilained raadioamatööridele katsetamiseks lubati: ametnikud ei osanud arvata, et tühise vahemaa järel “kadunud” signaal võiks uuesti ei-tea-kus välja ilmuda. Signaal peegeldub hüppe jooksul seda kaugemale, mida väiksema nurga all ta kiirgub. Iga järgnev peegeldumine vähendab signaali tugevust oluliselt. Seetõttu proovitakse kaugside jaoks antennid konstrueerida niimoodi, et nad kiirgaksid signaali horisondi suhtes võimalikult väikese nurga all.

Levi sõltuvus lainepikkusest ja ajast.

Päevasel ajal neelab ionosfääri alumine, D-kiht, sinna jõudnud pikemad lained täielikult. Seetõttu õnnestub 160 m ja 80 m lainealal päevasel ajal sidet pidada ainult pinnalaine levikauguse piires. Hämaruse saabudes D-kiht kaob, ja raadiolained hakkavad peegelduma ionosfääri kõrgemast, E- kihist. Võimalikuks muutuvad kaugsided. 40 m lainealal suudab signaal päevasel ajal D-kihi läbida ja peegelduda E- kihilt. Kuna signaali sumbuvus D-kihis on ikkagi suur, suudab laine tavaliselt teha ainult ühe hüppe, mille maksimumkauguseks on 1000-2000 kilomeetrit. Öisel ajal muutuvad võimalikuks mitme peegeldumisega kaugsided. Mida väiksem on lainepikkus, seda vähem D- ja E-kiht lainete levikut segavad, esmatähtsaks muutub siis kõige kõrgem, F-kiht, kust peegeldumise korral on hüppe maksimumkaugus ca 4000 km. Seetõttu on 20 meetri laineala suvisel ajal tavaliselt aktiivne ööpäevaringselt. Talvisel ajal võib F-kiht öösiti olla nii õhuke, et ei suuda enam laineid peegeldada ja levi kaob. 20 meetrist lühematel lainepikkustel on raadiolainete peegeldumiseks vajalik F-kihi suur aktiivsus, vastasel juhul lähevad lained sealt läbi ja kulgevad edasi maailmaruumi. Seetõttu 20 meetrist lühemad lained öösiti tavaliselt sulguvad. Päikese aktiivsuse madalseisus võivad nad suletud olla ka päevasel ajal, 10 meetri laineala ongi siis suurema osa ajast “surnud”. Seevastu Päikese aktiivsuse haripunktis võib kauglevi esineda ka näiteks 50 MHz lainealal kui ka öisel ajal neil lainepikkustel, kus seda tavaliselt ei juhtu.

Ion layers.jpg

Ultralühilained levivad tavalistes tingimustes ainult pinnalainetena otsese nähtavuse ulatuses. See ongi põhjuseks, miks ULL- lainealal töötavad raadio- ja telesaateantennid tõstetakse võimalikult kõrgele. Ionosfäär ja ka muu Maa atmosfäär on ultralühilainete jaoks tavaliselt läbipaistev, mistõttu nad saavad lahkuda maailmaruumi ja ka sealt siseneda. See teeb võimalikuks sidepidamise satelliitidega ja signaali edastamise Maa üksteisest kaugel asuvatesse paikadesse spetsiaalsete sidesatelliitide kaudu.

Levi iseärasused ultralühilainel

Aurora Effect e. Aurooralevi

  • Tekib geomagnetilise tormiga, näiteks virmaliste puhul.
  • Põhjustab levi kadumist lühilainel, üle 20 MHz toimub peegeldumine või hajumine.
  • Sageli on signaal tugevasti moonutatud, nii et sidepidamiseks saab kasutada ainult telegraafi.
  • ULL kuni 70 cm: võimalikud sided kuni 2000 km.
  • Signaal suunatakse häiritud alasse: Doppleri efekt, signaali moonutus.
  • Auroora tekib tavaliselt kõrgetel laiuskraadidel nii põhja- kui lõunapoolkeral kevadise ja sügisese pööripäeva kandis.
  • Kõige sagedasemini kella 16-20 vahel.
Aurooralevi.jpg

Sporadic E e. E-sporaadiline levi

  • E-sporaadilise levi (Es) puhul peegeldub signaal E-kihis olevalt ioniseeritud pilvelt, mille tekkepõhjus on teadmata.
  • Sidepidamine on võimalik suurtele kaugustele (800..2500 km).
  • Mida ekvaatorile lähemal, seda sagedamini E-s levi esineb.
  • Esineb peamiselt suvel mõlemal poolkeral, väiksem aktiivsuse tipp talvise pööripäeva paiku.
Esporaadiline levi.jpg
Esporaadiline levi pilves pilve.jpg
Esporaadiline levi pilves pilve2.jpg
Esporaadiline levi suur pilv.jpg

Tropospheric Enhancements e. Tropolevi

  • Tropolevi tekib troposfääris temperatuurierinevuste esinemisel.
  • Laine peegeldub troposfääris Maa ja sooja ning külma (või niiske ja kuiva) õhu piiri vahel moodustunud koridoris (kõrgus ca 1,5 km).
  • Põhjapoolkeral esineb tropolevi peamiselt sügisel ja kevadel.
  • Sagedamini tekib öösiti.
  • Ühe- või kahesuunaline.
  • Signaali levikukaugus võib ulatuda üle 1500 kilomeetri.
Tropolevi.jpg
Tropolevi korge.jpg

Meteor Scatter e. Meteoorside

  • Kui meteoriidid läbivad atmosfääri, jätavad nad järele ioniseeritud jälje.
  • Meteoorside puhul kasutatakse signaali peegeldumist neilt jälgedelt.
  • Meteoorside on kõige tõenäolisem tekkima meteoorivoolude ajal.
  • Peegeldunud signaal on tavaliselt väga lühiajaline, kestes mõnest sekundikümnendikust minutini.
  • Sidet peetakse arvutite abil, vahel saadakse vajalik info kätte tükkhaaval mitme seansiga.
  • Antenn keeratakse meteoorivoolu suunas, vertikaalne suunatus pole tingimata vajalik.
Meteoorside.png

Grey line e. “Hall joon”

Öö ja päeva joonele tekib videvikuala (“hall joon”), kus ionosfäär pole veel muutunud päevaseks või öiseks. Seda joont mööda levides neelduvad raadiolained muude suundadega võrreldes vähem. “Hallil joonel” asuv raadioamatöör saab teiste joonel asuvate jaamadega sidet kergemini kui muidu, ka tagasihoidliku antenni ja võimsusega. Alloleval pildil on Eesti videvikualas. Võib eeldada head levi Jaapanisse ja Uus-Meremaale, tunni-kahe pärast võib oodata Brasiilia ja Austraalia.

Videvikuala hall joon.png

Lühilainete kasutamine sõltuvalt ajast

Band (wavelength) Purpose
160 meetrit Öösel, DX
80 meetrit Päeval ja öösel.
60 meetrit  ?
40 meetrit Päeval ja öösel, DX
30 meetrit CW ja digital
20 meetrit Enamus DX, päeval ja öösel
17 meetrit DX, päeval ja öösel
15 meetrit Päeval
12 meetrit Päeval
10 meetrit Päeval (kõrge päikseaktiivusega)

Välised lingid

Vaata ka