Radio dla opornych
Część 2. Ta cholerna jonosfera (dobrze, że jest).

Jak wspomniałem w poprzednim wpisie jonosfera odgrywa bardzo ważną rolę przy propagacji fal KF na duże odległości.
Czym jest jonosfera? Ewidentnie jest kobietą, bo często ma swoje humory, a jak nie wiesz dlaczego, to weź się domyśl. Tak po naszemu to część naszej atmosfery, zaczyna się nad naszymi głowami gdzieś na wysokości 50-60km i ciągnie się do ok 800-1000km. Dzieją się tam dziwne rzeczy, a wszystko przez promieniowanie kosmiczne i nasze Słońce.

To promieniowanie to takie strasznie nabuzowane cząsteczki, no napiły się energetyków i strasznie je nosi. Jak wpadają w naszą atmosferę to muszą komuś przyfasolić, a że pod ręką jest sporo tlenku azotu, azotu i tlenu to dochodzi do niezłej rozróby. Cząsteczki gazu dostają taki wpierdziel, że tracą część swoich elektronów i dochodzi do jonizacji gazu (no i wyjaśniło się skąd się wzięła nazwa tej warstwy). To właśnie duże ilości wolnych elektronów odpowiadają za całą magię związaną z tłumieniem lub refrakcją (czyli zakrzywieniem i odbiciem) fal radiowych.

Żeby było ciekawiej, to skład jonosfery w dzień (kiedy wysokoenergetyczne promieniowanie ze Słońca naparza w naszą atmosferę) jest inny niż w nocy (gdy dochodzi do zjawiska rekombinacji, czyli ponownego połączenia się atomów z oderwanymi elektronami).
W dzień mamy zasadnicze 4 warstwy w jonosferze oznaczane literami D, E, F1 i F2.

Najniżej jest warstwa D, taka narwana nastolatka. Powoduje ona silne tłumienie fal krótkich (KF) z maksimum w okolicach 1 MHz i spadające powoli do około 10 MHz. Przy wyższych częstotliwościach efekt jest coraz słabszy. Warstwa D za to odbija fale długie (30-300 kHz), dzięki czemu Polskie Radio Program I słychać na kilka tysięcy kilometrów od Solca Kujawskiego. Ale warstwa D jest kapryśna, istnieje tylko w ciągu dnia z maksimum w okolicach południa. Uwaga, przy ponadnormatywnej aktywności Słońca (rozbłyski słoneczne) warstwa D potrafi się tak uaktywnić, że praktycznie blokuje w dzień dalekosiężną łączność na falach KF.

Jonosfera i jej warstwy z podziałem na dzień i noc.

Powyżej warstwy D rozgościła się koleżanka E. E jest panią w średnim wieku, taką ustatkowaną, ale nie do końca, bo czasami musi się przyczepić o jakąś pierdołę. Warstwa E istnieje niezależnie od pory dnia i zasadniczo odbija fale radiowe poniżej 1 MHz. Ale czasami pojawią się podwarstwa E_s, zwana sporadyczną, taka chmurka elektronów, która „żyje” albo kilka minut, albo kilkanaście godzin. Z obserwacji wynika, że pani E_s uwielbia plażowanie, bo pojawia się najczęściej latem, zimą raczej jej nie uświadczymy. Warstwa E_s odbija fale radiowe z zakresu 25-225 MHz, ale zdarza się też tłumienie w zakresie kilku MHz, co negatywnie wpływa na zasięgi dalekosiężnej łączności KF.

Jeszcze wyżej mamy warstwę F, która ma drobną schizofrenię, bo szczególnie latem w ciągu dnia dzieli się na dwie podwarstwy F1 i F2. F1 odpowiedzialna jest za odbijanie fal o niższej częstotliwości i zanika po zachodzie słońca. F2 za to jest dość stała, maksimum swej jonizacji osiąga w południe, powoli „stygnąc” w nocy z minimum tuż przed wschodem słońca. To właśnie dzięki tej warstwie możemy na falach krótkich KF nawiązywać łączność na tysiące kilometrów. W dzień najlepiej nadają się do tego częstotliwości z zakresu 10-20 MHz (przechodzące przez warstwy D i E), w nocy (gdy jonizacja spada) trzeba zejść na 3-8 MHz.
W starszych źródłach można trafić jeszcze na dwie warstwy: C i G. Pierwsza z nich pojawia się czasami poniżej warstwy D i jest obecnie pomijana z powodu małej jonizacji powstającej jedynie tuż przed świtem. Warstwa G natomiast leży powyżej F, również ma niewielką jonizację i znikomy wpływ na propagację fal radiowych. Poza tym w zasadzie nie ma jak jej badać, bo to wysokości rzędu 800km.

Ważne są również cykle słoneczne, które mają długość 11 lat. Ma to związek z plamami na Słońcu, które są źródłem silnego promieniowania jonizującego. Przy dużej aktywności Słońca wyższe częstotliwości (>30 MHz) będą blokowane. Przy minimum aktywności będą problemy z wykorzystaniem częstotliwości powyżej 20 MHz, bo warstwy E i F są zbyt słabo naładowane aby odbijać te zakresy częstotliwości.

Kilka ciekawostek na koniec:

• Jonosfera to nie tylko "funkcje" związanie z radiokomunikacją. Razem z polem magnetycznym Ziemi chroni ona życie przed śmiercionośnym promieniowaniem kosmosu.
• Jonosfera jest raz zimna jak żona po kłótni, raz gorąco jak piec martenowski. W dolnych warstwach wieje chłodem nawet do -80 ^oC. Natomiast tam, gdzie jest największa zadyma między promieniowaniem słonecznym a cząsteczkami atmosfery może być nawet 1000 ^oC.
• Jonosfera to ta cześć atmosfery, gdzie natura maluje jedne z najpiękniejszym obrazów na Ziemi. Zorze polarne możemy oglądać na wysokich szerokościach geograficznych, ale przy dużej aktywności Słońca można zaobserwować je nawet w Polsce (szkoda, że ma to miejsce średnio co 11 lat). W 2024 roku zorzę oglądali nawet Czesi na swoim niebie!
• W czasach, gdy ludzie słuchali stacji radiowych AM na falach długich często nadawanym audycjom towarzyszyły trzaski i szumy. Tak objawiają się zakłócenia w jonosferze, np. wyładowania towarzyszące burzom.
• Nocą "słychać dalej", dlatego krótkofalowcy bijący swoje rekordy zasięgu łączności chodzą niewyspani.
• COSTO to projekt badający związki zaburzeń jonosfery z klęskami żywiołowymi (powodziami, trzęsień ziemi i tsunami).

Podsumowując powyższe wypociny: jonosfera nieustannie się zmienia. W dzień grzeje ją promieniowanie Słońca, w nocy o wiele słabsze promieniowanie kosmiczne. Jest jak koc ze zjonizowanych cząsteczek okrywający naszą planetę. Kiedy fale radiowe uderzają w ten koc, w zależności od częstotliwości oraz kąta padania, niektóre z nich odbijają się, inne zostają pochłonięte, a jeszcze inne uciekają w kosmos. W dodatku z uwagi na fakt, że odległość Ziemi od Słońca oraz długość dnia są różne w ciągu roku wpływa to również na poziom jonizacji górnych warstw atmosfery. Wszystkie te czynniki trzeba brać pod uwagę projektując systemy radiowe wykorzystujące jonosferę, a człowiek zajmujący się przydziałem częstotliwości musi pamiętać, że latem mamy inne warunki propagacji niż zimą.

W następnym odcinku będzie trochę o tym, jak okiełznać jonosferę i wykorzystać jej właściwości. Będzie trochę o MUFach i SFI.