ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5ο : ΙΟΝΟΣΦΑΙΡΙΚΕΣ ΙΑΤΑΡΑΧΕΣ

Transcript

1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5ο : ΙΟΝΟΣΦΑΙΡΙΚΕΣ ΙΑΤΑΡΑΧΕΣ 5.1 Τύποι διαταραχών Ο όρος «ιονοσφαιρικές διαταραχές» χρησιµοποιείται για να καλύψει µια µεγάλη ποικιλία ιονοσφαιρικών συνθηκών που εµφανίζουν κάποια παρέκκλιση από την συνήθη κατάσταση. Έτσι µικρές αναταραχές στην ηλεκτρονιακή δοµή που µεταβάλλονται µε το χρόνο ονοµάζονται διαταραχές διάδοσης. Αυτές είναι συνήθως εντοπισµένες στο χώρο. Όσον αφορά τη ραδιοζεύξη, αυτές οι διαταραχές δεν είναι τόσο σηµαντικές όσο οι πιο εκτεταµένες (γεωγραφικά) διαταραχές, οι οποίες συνδέονται κατά βάση µε µια ηλιακή έκλαµψη. Αυτές οι επιδράσεις που οφείλονται σε ηλιακές εκλάµψεις µπορούν να ταξινοµηθούν ως εξής: Ξαφνικές ιονοσφαιρικές διαταραχές, Ιονοσφαιρικές καταιγίδες, Φαινόµενα απορρόφησης από τους παγετώνες των πόλων (polar cap-pcas). O λόγος, για τον οποίο οι διαταραχές αυτές είναι σηµαντικές από την σκοπιά των ραδιοεπικοινωνιών, είναι ότι συχνά έχουν ως αποτέλεσµα τη διακοπή των επικοινωνιών. Η απορρόφηση στην περιοχή D είναι τόσο ενισχυµένη, που µπορεί να είναι ανέφικτο να πραγµατοποιηθούν καταληπτές επικοινωνίες για χρονικά διαστήµατα διάρκειας από λίγα λεπτά ως αρκετές µέρες. Επιπλέον, οι κρίσιµες συχνότητες του στρώµατος F 2 είναι κάποιες φορές µικρότερες των αναµενόµενων (ιονοσφαιρικές καταιγίδες), πράγµα που οδηγεί σε απώλεια του σήµατος εξαιτίας της αποτυχίας της MUF. Είναι πολύ δύσκολο να προβλεφτεί η απαρχή µιας ιονοσφαιρικής διαταραχής και από τη στιγµή που οι ιονοσφαιρικές συνθήκες µπορεί να αλλάζουν αστραπιαία από χαµηλές σε πολύ έντονες διαταραχές, η ιδέα των «πρότυπων συνθηκών» έχει περιορισµένη αξία. Σκοπός του κεφαλαίου αυτού είναι να σκιαγραφηθούν οι επιδράσεις των διαταραχών αυτών πάνω στα ραδιοσήµατα και να εξεταστούν κάποιοι τρόποι αντιµετώπισης των προβληµάτων που δηµιουργούνται. 42

2 Πριν εξεταστούν τα φαινόµενα αυτά λεπτοµερώς, είναι χρήσιµο να µελετηθεί το γενικό πρότυπο λίγο περισσότερο. Παρόλο που όλα τα κανονικά στρώµατα (D, E και F) επηρεάζονται, το στρώµα Ε δεν επηρεάζεται έντονα, µε εξαίρεση την εµφάνιση του σποραδικού Ε σε ορισµένες ιονοσφαιρικές καταιγίδες. Τα στρώµατα D και F υπόκεινται σε πολύ πιο έντονες επιδράσεις. Οι επιδράσεις στην περιοχή D συχνά συµβαίνουν ταυτόχρονα µε την εµφάνιση µιας οπτικής ηλιακής έκλαµψης, ενώ οι επιδράσεις στην περιοχή F καθυστερούν συχνά µία ή περισσότερες µέρες. Αυτές οι ταυτόχρονες ή καθυστερηµένες επιδράσεις απεικονίζονται στο σχήµα 5.1. Σχήµα 5.1. Οι επιπτώσεις µιας ηλιακής έκλαµψης στη γη Η εµφάνιση µιας ηλιακής έκλαµψης µπορεί να συνοδεύεται από εκποµπή ραδιοκυµάτων, υπέρυθρων ακτινών και ακτινών x, που φτάνουν ταυτόχρονα στη γη, καθώς ταξιδεύουν µε την ταχύτητα του φωτός στο κενό. Ηλιακές κοσµικές ακτίνες εκπέµπονται επίσης µε σχετικιστικές ταχύτητες, και µπορεί να κάνουν από 15 λεπτά µέχρι αρκετές ώρες για να φτάσουν στη γη, όπου προκαλούν απορρόφηση λόγω των παγετώνων των πόλων. Σωµατίδια µικρότερης ταχύτητας, που έχουν χρόνους διάδοσης από 20 µέχρι 40 ώρες, καταλήγουν σε ιονοσφαιρικές καταιγίδες, µαγνητικές καταιγίδες και εµφάνιση του βορείου Σέλας. 43

3 5.2 Ξαφνικές ιονοσφαιρικές διαταραχές Απορρόφηση στην περιοχή D Κατά διαστήµατα, επικοινωνίες υψηλών συχνοτήτων µε διάδοση µέσω ουράνιων κυµάτων στο φωτεινό ηµισφαίριο της γης, αποκόπτονται πλήρως λόγω ασυνήθιστα µεγάλης απορρόφησης στο στρώµα D, η οποία προκαλείται λόγω αυξηµένου ιονισµού του στρώµατος κατά τη διάρκεια µιας µεγάλης ηλιακής έκλαµψης. Τα φαινόµενα αυτά ονοµάζονται µικροκυµατικές διαλείψεις (Short Wave Fadeouts-SWF). Στο σχήµα 5.2 φαίνεται ότι αποκόπτονται µόνο οι επικοινωνίες, στις οποίες το σήµα διέρχεται από το στρώµα D, δηλαδή αυτές που λαµβάνουν χώρα στο φωτεινό ηµισφαίριο της γης, ενώ οι ζεύξεις στο σκοτεινό ηµισφαίριο παραµένουν ανεπηρέαστες. Σχήµα 5.2. Μικροκυµατικές διαλείψεις Η σχέση µεταξύ των µικροκυµατικών διαλείψεων και των ηλιακών εκλάµψεων ανακαλύφθηκε από τον Dellinger.Οι συνθήκες υψηλής απορρόφησης µπορεί να διαρκέσουν από µερικά λεπτά µέχρι αρκετές ώρες. Η απαρχή της απορρόφησης αυτής είναι συνήθως, αλλά όχι πάντα, πολύ ξαφνική (ως εκ τούτου και ο όρος «ξαφνική ιονοσφαιρική διαταραχή», sudden ionospheric disturbance, SID) ακολουθείται από µια σχετικά αργή αποκατάσταση του σήµατος όπως φαίνεται στο σχήµα 5.3. Οι µικροκυµατικές διαλείψεις δεν είναι όλες ξαφνικές και στο National Bureau of Standards 44

4 οι SWF περιγράφονται ως ξαφνικές, αργές, ή βαθµιαίες, ανάλογα µε τη χρονική διακύµανση του καταγραφόµενου σήµατος. Όσο αφορά τη διακοπή ραδιοεπικοινωνιών, οι µικροκυµατικές διαλείψεις δεν είναι τόσο σοβαρές, αποτελούν πάντως ενόχληση. Το ύψος στην ατµόσφαιρα, στο οποίο δηµιουργούνται τα επιπρόσθετα ηλεκτρόνια κατά τη διάρκεια µιας ηλιακής έκλαµψης είναι σηµαντικό, γιατί καθορίζει την εξάρτηση της απορρόφησης από την συχνότητα του κύµατος. Σχήµα 5.3. Παράδειγµα µαγνητικής διαταραχής, στις Η συντριπτική πλειοψηφία των διαλείψεων ραδιοσηµάτων συνδέεται µε ηλιακές εκλάµψεις. Για το λόγο αυτό, παρουσιάζουν την ίδια 11χρονη περιοδιοκότητα εµφάνισης όπως οι εκλάµψεις και οι ηλιακές κυλίδες.γενικά οι διαστάσεις των ξαφνικών ηλιακών διαταραχών εξαρτώνται από τη ζενίθια γωνία. 45

5 5.3 Ξαφνικές φασικές ανωµαλίες Στο στρώµα D παρατηρείται αύξηση του ιονισµού,η οποία επιδρά στη φάση και το πλάτος των LF και VLF κυµάτων. Λόγω της πτώσης του ενεργού ύψους ανάκλασης το σήµα προηγείται σε φάση. Σε περιπτώσεις αλλαγής ύψους γύρω στα 6 km παρουσιάζεται µια τιµή κατωφλίου, πάνω από την οποία εµφανίζονται ξαφνικές ανωµαλίες φάσης καθώς επίσης και µικροκυµατικές διαλείψεις. 5.4 Ξαφνικές αποκλίσεις της συχνότητας Αν θεωρήσουµε ένα σταθερό ραδιοσήµα και παρατηρήσουµε την διαδροµή του µέσα από την ιονόσφαιρα,κατά την διάρκεια µιας ηλιακής έκλαµψης, τότε γίνεται εµφανής η µεταβολή που αυτό υφίσταται,όσον αφορά στην τιµή της συχνότητάς του. Υπάρχουν δύο παράγοντες που προκαλούν αύξηση στο ηλεκτρονιακό περιεχόµενο της ιονόσφαιρας : α) η πτώση του ύψους ανάκλασης καθώς και β) η πτώση του δείκτη διάθλασης κατά τη διαδροµή Το αποτέλεσµα αυτής της αύξησης της ηλεκτρονιακής πυκνότητας της ατµόσφαιρας είναι η µείωση της φασικής διαδροµής των σηµάτων που υφίστανται ανάκλαση από την ιονόσφαιρα. Με τη βοήθεια διαγραµµάτων που διαθέτουµε κατανοούµε τον τρόπο µε τον οποίο επιδρά µια ηλιακή εκλαµψή στη λήψη ενός σήµατος..η συχνότητα αυξάνει µέχρι µία µεγιστη τιµή, ενώ µετά πέφτει αστραπιαία, κάνει υπερύψωση και αποκαθίσταται αργά. Χρήσιµοποιώντας κατάλληλα µοντέλα που αντιπροσωπεύουν την πυκνότητα ηλεκτρονίων, να µετατρέπουµε τις µεταβολές φάσης σε µεταβολές στο ύψος ανάκλασης ή σε µεταβολές του ηλεκτρονιακού περιεχοµένου. Για τις αλλαγές στη συχνότητα στην κάθετη αλλά και πλάγια διάδοση κύµατος, χρησιµοποείται η γνωστή σχέση: f =, ob f v f ob : η αλλαγή συχνότητας ενός πλάγια διαδιδόµενου κύµατος και 46

6 f v : η αλλαγή συχνότητας του ισοδύναµου κάθετα διαδιδόµενου κύµατος. Αξίζει να σηµειωθεί ότι οι εκλάµψεις δεν προκαλούν πάντοτε µεγάλες αλλαγές στη συχνότητα. ιακρίνουµε και περιπτώσεις εκλάµψεων, οι οποίες προκαλούν πολύ µικρή µεταβολή στη συχνότητα.στη δεύτερη αυτή περίπτωση ανήκουν εκλάµψεις µε µεγάλη απορρόφηση λόγω της ύπαρξης µικρού αριθµού ηλεκτρονίων σε περιοχές όπου εµφανίζονται υψηλές τιµές για την συχνότητα πρόσκρουσης. 5.5 Επιδράσεις σε σήµατα πολύ υψηλών συχνοτήτων Τα υπερβραχέα σήµατα διαδίδονται στην περιοχή D λόγω του φαινοµένου της σκέδασης που οφείλεται στις λόγω ιονοσφαιρικές ανωµαλίες.οι απότοµες µεταβολές στο χρόνο και στο χώρο,που υφίστανται τα VHF κύµατα έχουν σαν αποτέλεσµα τη σκέδαση της ενέργειας εκτός της διεύθυνσης της εκπεµπόµενης δέσµης (Σχήµα 5.4). Σχήµα 5.4 Κατά τη διάρκεια µικροκυµατικών διαλείψεων, βρέθηκε ότι τα σήµατα αυτά ενισχύονται κατά περίπου 9dB.Για σήµατα κοντά στις τιµές των 50 MHz δεν υπάρχουν σηµαντικές ενδείξεις εξασθένισης του σήµατος κατά τη διάρκεια µιας πλήρους κατάρρευσης της ραδιοζεύξης HF. Για λίγο υψηλότερα σήµατα η ενίσχυση του σήµατος διαρκεί µόνο για λίγα λεπτά ενώ µετα και ακολουθεί εξασθένιση.στην περίπτωση 47

7 ,λοιπόν, που η σκέδαση λαµβάνει χώρα στην περιοχή απορρόφησης στις υψηλές συχνότητες η αυξηµένη σκέδαση αντισταθµίζεται µε αυξηµένη απορόφηση, ενώ αντίθετα στις χαµηλότερες η αυξηµένη σκέδαση δεν αντισταθµίζεται. 5.6 Ιονοσφαιρικές καταιγίδες Συσχέτιση µε τις µαγνητικές καταιγίδες Για την περιγραφή των συνθηκών που πιθανόν να επικρατούν για αρκετές ηµέρες και που συνοδεύονται από µαγνητικές διαταραχές χρησιµοποιείται ο όρος «ιονοσφαιρική καταιγίδα». Η ύπαρξη των µαγνητικών καταιγίδων εισάγει την ανάγκη για την περαιτέρω µελέτη τους. Παραδείγµατα ιονοσφαιρικών καταιγίδων για δυο διαφορέτικες ώρες παρουσιάζονται στο Σχήµα 5.5, όπου είναι εµφανές ότι η ηλεκτρονιακής πυκνότητα διαφέρει ανάµεσα στις κανονικές ιονοσφαιρικές συνθήκες και τις συνθήκες κατά τη διάρκεια µιας ιονοσφαιρικής καταιγίδας. Γνωρίζουµε ότι οι µαγνητικές καταιγίδες αποτελούν διαταραχές του µαγνητικού πεδίου της γης κατά τη διάρκεια των οποίων οι παράµετροι του µαγνητικού πεδίου της γης παρουσιάζουν µεταβλητότητα σε ένα ευρύτερο διάστηµα τιµών από ότι στις συνηθισµένες συνθήκες. Παρά το γεγονός ότι υπάρχουν ανωµαλίες στο πεδίο µπορούµε να ταξινοµήσουµε το πρότυπο σε συγκεκριµένους τύπους. 48

8 Σχήµα 5.5. Ηλεκτρονιακή πυκνότητα ιονόσφαιρας υπό κανονικές συνθήκες και κατά τη διάρκεια ιονοσφαιρικής καταιγίδας Τέτοιους τύπους αποτελούν,αυτοί που χαρακτηρίζονται από µια ξαφνική έναρξη (που είναι ταυτόχρονη σε όλο τον κόσµο) ή µια σταδιακή έναρξη. Και στις δύο περιπτώσεις της ξαφνικής ή σταδιακής έναρξης,οι ιονοσφαιρικές καταιγίδες συνοδεύονται από ένα ή περισσότερα συγκεκριµένα ιονοσφαιρικά φαινόµενα,όπως: α) τη µείωση των κρίσιµων συχνοτήτων του στρώµατος F 2 κατά τη διάρκεια της ηµέρας β) την εµφάνιση του σποραδικού Ε γ) την ενίσχυση του διαδιδόµενου F δ) τον αποκλεισµό των ραδιοεπικοινωνιών Οι µαγνητικές καταγίδες,εποµένως και αυτές οι επιδράσεις µπορεί να κρατήσουν από 2 ως 5 αλλά συχνά και περισσότερες ηµέρες.όταν η ηλιακή 49

9 κηλίδα είναι µέγιστη, οι επιδράσεις τείνουν να γίνουν συντοµότερες (2-3 µέρες) και εντονότερες, ενώ στην περίπτωση που η ηλιακή κηλίδα είναι ελάχιστη, οι επιδράσεις διαρκούν περισσότερο(4-5ηµέρες) και είναι λιγότερο έντονες Σποραδικό Ε Επιπρόσθετα µε τα συνήθη στρώµατα της ιονόσφαιρας υπάρχουν αρκετά στρώµατα παροδικής ή ανώµαλης φύσης.το πιο σηµαντικό από αυτά είναι το σποραδικό -Ε,το οποίοσυχνά ονοµάζεται Εs.Λόγω της ύπαρξης του Ε, VHF κύµατα µπορούν να ανακλαστούν από νέφη αυξηµένου ιονισµού στο Ε στρώµα της ιονόσφαιρας.τα νέφη αυτά εντοπίζονται σε περιορισµένη περιοχή µεγέθους περίπου στα 100 km. Καθορισµένοι τύποι του Ε S, εκείνοι που συσχετίζονται µε µαγνητική δραστηριότητα, σηµειώνονται τακτικά κοντά στον πολικό δακτύλιο κατά τη διάρκεια καταιγίδας, ιδιαίτερα τις νυχτερινές ώρες..με τη βοήθεια στατιστικών αναλύσεων προκύπτει ότι η ώρα Greenwich των αυξηµένων περιστατικών του κείται σε τόξο.επίσης γίνεται εµφανές ότι ο χρόνος εµφάνισης µεγίστου συµβαίνει νωρίτερα στα πιο υψηλά γεωγραφικά πλάτη. Τα παραπάνω συµπεράσµατα απεικονίζονται στο σχήµα που ακολουθεί. Σχήµα 5.6. Χρόνος εµφάνισης µεγίστου πλήθους καταιγίδων Ε s 50

10 Κεφάλαιο 5ο : Ιονοσφαιρικές διαταραχές Παράλληλα, παραδείγµατα σποραδικών -Ε ανακλάσεων σε συνήθη ιονογράµµατα φαίνονται στα παρακάτω σχήµατα. Σχήµατα 5.7. Παραδείγµατα σποραδικών Ε echoes 51

11 Γίνεται εµφανές ότι η µέγιστη συχνότητα που επιστρέφει από το στρώµα µπορεί να είναι πολύ µεγαλύτερη από αυτή του κανονικόυ Ε στρώµατος και µάλιστα µεγαλύτερη από αυτή οποιουδήποτε κανονικού στρώµατος. Μερικές φορές τα ίχνη Ε εµφανίζουν καθυστέρηση γύρω από τη µέγιστη συχνότητα υποδεικνύοντας ένα σχετικά παχύ στρώµα µε µια καλώς ορισµένη ηλεκτρονική πυκνότητα.κάτω από αυτές τις συνθήκες δεν εµφανίζει καθυστέρηση,δείχνοντας ότι το στρώµα είναι εξαιρετικά λεπτό ή αλλιώς ότι οφείλεται σε µία οξεία αλλαγή στην κλίση της ηλεκτρονικής πυκνότητας. Σε µερικές περιπτώσεις το Εs στρώµα είναι αδιαφανές και σκεπάζει τα ανώτερα στρώµατα. Σε άλλες περιπτώσεις τα ανώτερα στρώµατα µπορεί να γίνουν ορατά µέσω του Εs,γεγονός που δείχνει ότι το Εs είναι ανοµοιόµορφο και παράλληλα ότι τα ραδιοκύµατα διεισδύουν µέσω των κενών.μερικές φορές ο µαγνητικός διαχωρισµός είναι εµφανής και άλλες φορές δεν υπάρχει. Σποραδικά Ε echoes µπορούν να εµφανιστούν πάνω από µια σειρά υψών από 90 έως 120 km. ή συχνά και περισσότερα και αποδείξεις έχουν παρουσιαστεί από τον Ηeliwell για τα ύψη.υπάρχουν στοιχεία που µας οδηγούν στην πεποίθηση ότι ένας τύπος Εs οφείλεται στον ιονισµό από τους µετεωρίτες. Είναι σχεδόν σίγουρο ότι πολλά διαφορετικά φαινόµενα υπάγονται στην γεωική έννοια του Εs.Λόγω της µεταβλητής του φύσης το Ε έχει µελετηθεί ευρέως µε τη βοήθεια στατιστικών µέσων,συνήθως υπολογίζοντας το κλάσµα του χρόνου όπου η µέγιστη συχνότητα fes ξεπερνά κάποια τιµή αναφοράς.μερικά αποτελέσµατα παρουσιάζονται στο σχέδιο.το σποραδικό Ε παρατηρείται σε χαµηλότερο ύψος από το στρώµα F,γεγονός που τείνει να περιορίσει την δυνατή απόσταση κατά τη µετάδοση απλού άλµατος, όπως φαίνεται παραστατικά στο σχήµα 5.8. Με τη διακεκοµένη γραµµή παριστάνεται ένα σήµα που µεταδίδεται µερικώς µέσω του σποραδικού Ε και µερικώς µέσω του στρώµατος F. Το λαµβανόµενο σήµα έχει πιθανότατα υποστεί εξασθένηση. Με τη συνεχή γραµµή παριστάνεται ένα σήµα το οποίο διαπερνά το σποραδικό Ε και εν συνεχεία διαθλάται στο στρώµα F. Σε κάποιες περιπτώσεις η µετάδοση πολλαπλού άλµατος µπορεί να επιτύχει µεγαλύτερη απόσταση ζεύξης.. 52

12 Σχήµα 5.8. ιάδοση µέσω του σποραδικού Ε και του στρώµατος F Κοντά στον ισηµερινό το Ε φαινόµενο που παρουσιάζεται κυρίαρχα την ηµέρα µε µικρή εποχιακή µεταβλητότητα.στην άλλη περίπτωση,στην αρκτική ζώνη το Ε είναι κυρίαρχο κατά τη διάρκεια της νύχτας αλλά πάλι παρουσιάζεται µε µικρή εποχιακή µεταβλητότητα.στα χαµηλά γεωγραφικά πλάτη το σποραδικό Ε εµφανίζει µέγιστη δράση το απόγευµα και το βράδυ και µάλιστα τη θερινή περίοδο το µέγιστο µετατοπίζεται αργότερα. Στα µεσαία πλάτη δε, το φαινόµενο συχνά εντοπίζεται κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού τις µεσηµεριανές και απογευµατινές ώρες. Αυτός ο συνδυασµός δίνει τη µέγιστη πιθανότητα εµφάνισης του σποραδικού Ε για οποιοδήποτε γεωγραφικό πλάτος, εποχή αλλά και ώρα. Το σποραδικό Ε,τότε, είναι σηµαντικά ασθενέστερο σε εποχές διάφορες του καλοκαιριού και το µέγιστο µεταφέρεται αργά το απόγευµα. Στις νοτιότερες περιοχές το φαινόµενο είναι σχεδόν ανύπαρκτο στις περιόδους ισηµερίας και ειδικότερα του Σεπτεµβρίου.Σε µεσαία γεωγραφικά πλάτη η µέγιστη συχνότητα fes είναι µικρότερη από οπουδήποτε αλλού και η εµφάνισή της υπόκειται σε ηµερήσιες και εποχιακές µεταβλητότητες. Γενικά,αναφέρουµε ότι το Ε είναι συχνότερο κατά το καλοκαίρι από ότι το χειµώνα και κατά τη διάρκεια της ηµέρας από ότι κατά τη διάρκεια της νύχτας. 53