Ionosfeer

Die Aurora Borealis 'n verskynsel in die ionosfeer.

Die ionosfeer is 'n laag van die atmosfeer waar blootstelling aan die son se straling neutrale gasmolekule in ione verander. Die druk en digtheid van die atmosfeer neem met toename in hoogte af, en op hoogtes hoër as ongeveer 70 km is die atmosfeer gedeeltelik geïoniseer. Hierdie hoër gedeeltes van die atmosfeer staan as die ionosfeer bekend. Die bestaan van die ionosfeer is in 1925 ontdek deurdat die weerkaatsing opgevang is van radiogolwe wat vertikaal uitgestuur is. Die atmosfeer se gasmolekules word deur ultraviolet en X-strale afkomstig van die son geïoniseer.

Die gevormde positief gelaaide gasione en negatief gelaaide elektrone kan weer kombineer tot neutrale gasmolekules en 'n dinamiese ewewigsituasie ontstaan. Die mate van ionisasie word deur die stralingsintensiteit en die digtheid van die atmosfeer bepaal. Verskeie strata of lae van die ionosfeer kan ontstaan: die D-laag (70 tot 100 km), die E-laag (100 tot 140 km), die F₂-laag (140 tot 200 km) en die F₁-laag (200 tot 400 km). Die eerste drie lae is hoofsaaklik in die dag teenwoordig wanneer die son skyn, maar die F₂-laag is ook in die nag teenwoordig. Die ionosfeer speel 'n belangrike rol by die voortplanting van radiogolwe, aangesien dit radiogolwe onder bepaalde toestande na die aarde kan terugkaats.

Die lae van die ionosfeer

Elke laag weerkaats slegs bepaalde frekwensies. Radio-uitsendings se frekwensies moet volgens die aanwesigheid van bepaalde lae aangepas word. Die F₂-laag is belangrik aangesien dit radio-uitsendings gedurende die nag moontlik maak. Op 'n hoogte van 600 tot 1 000 km gaan die ionosfeer oor in die magnetosfeer. Die magnetosfeer kan nie radiogolwe terugkaats nie, en kan slegs met behulp van instrumente in ruimtetuie en satelliete ondersoek word. In die magnetosfeer word die gelaaide ione sterk deur die aarde se magneetveld beïnvloed, en deeltjies beweeg teen hoë snelhede, soos byvoorbeeld in die Van Allen-gordel. Die buitegrens - bekend as die magnetopouse word deur die son wind beïnvloed: aan die sonkant is dit ingeduik en aan die skadukant is dit druppelvormig uitgerek. Die son straal ook deeltjies uit wat steurings in die ionosfeer en magnetosfeer veroorsaak en radiokommunikasie kan versteur.

Ontdekking en waarneming van die ionosfeer

Die ontdekking en ondersoek van die ionosfeer hang nou saam met die ontwikkeling van radiokommunikasie. Reeds in 1878 het Balfour Stewart veronderstel dat ʼn elektriese stroom deur geïoniseerde lae in die boonste atmosfeer verantwoordelik is vir die klein afwykings in die aarde se magneetveld. In 1901 het Guglielmo Marconi in Newfoundland ʼn radiosein van 'n sender 2 900 km ver in Cornwall, Engeland, opgevang. Hierdie verskynsel kon nie in verband gebring word met die reglynige voortplanting van radiogolwe nie. Arthur Edwin Kennelly (1861 - 1939) van Amerika en Olivier Heaviside (1850- 1925) van Engeland het in 1902 onafhanklik daarop gewys dat radiogolwe deur geïoniseerde lae van die atmosfeer op groot hoogtes na die aarde teruggekaats word, en sodoende ʼn reikwydte om die kromming van die aarde kan hê. Eccles het dan ook in 1912 die basiese teorie vir die proses uitgewerk, en dit is in 1924 verder deur Larmor voltooi.

Die bestaan van die ionosfeer is in 1925 eksperimenteel deur die Amerikaners Gregory Breit (geb. 1899) en Merle Antony Tuve (geb. 1901) en die Brit sir Edward Victor Appleton (1892-1965) aangetoon. Hulle het kort radio-impulse uitgestuur en die weerkaatsings waargeneem. Deur die pulse op 'n ossilloskoop te registreer, is vasgestel dat die totale looptyd tussen 0,8 en 0,7 millisekonde was. Die voortplantingsnelheid van 'n radiogolf in ʼn vakuum is dieselfde as die van lig (3 x l0⁸ m/s) en daar is dus bereken dat die ionosfeer op 'n hoogte van tussen 110 en 120 km moet lê. Daar is ook vasgestel dat die gemete hoogte vir verskillende radiofrekwensies verskil en dat geen weerkaatsings bokant 'n sekere frekwensie meer waargeneem word nie.

Verder het die hoogte tussen dag en nag en met seisoene ook gewissel. Breit en Tuve het 'n apparaat bekend as die ionosonde ontwikkel om die hoogte van die ionosfeer te ondersoek. Die apparaat bestaan uit 'n radiosender wat kort pulse uitstuur, en die frekwensie varieer in 'n tydsbestek van enkele minute tussen 1-20 MHz (1 MHz= 10⁶ Hz) terwyl 'n ontvanger voortdurend op die sendfrekwensie ingestem bly. Op 'n ossilloskoop word dan ʼn beeld verkry waaruit die weerkaatsingshoogte (duur) vir verskillende frekwensies afgelei kan word. 'n Grafiek van die beeld word ʼn ionogram genoem.

Ontstaan van die ionosfeer

Die strale wat deur die son uitgestraal word, strek oor 'n wye spektrum van golflengtes. Aan die kortgolflengtekant is daar X-strale (0,1 tot 100 nm) en ultraviolet strale (100 tot 400 nm). Dan volg die sigbare gebied met kleure van violet tot rooi (400 nm tot 800 nm), en aan die langgolflengtekant infrarooi straling (800 tot 2000 nm). Na die infrarooi gebied volg ook radiogolwe met golflengtes wat strek van enkele millimeters tot etlike meters (1 nm=l0^-9 m). Die meeste energie van die son af lê in die sigbare gebied en die intensiteit in hierdie gebied is baie konstant. Daar is egter 'n aansienlike variasie in die intensiteit van ultraviolet en X-strale, en dit volg ʼn reëlmatige patroon saam met die sonvleksiklus van 11 jaar.

Hierbenewens is daar ook onreëlmatige variasies oor 'n tydperk van dae of weke. Die ionosfeer word juis deur hierdie strale geskep, en daar is dan ook 'n variasie in die ionosfeer. Die konsentrasie ione wat geskep word, is eweredig aan die produk van die digtheid van die atmosfeer en die stralingsintensiteit van ultraviolet en X-strale. Op baie groot hoogtes is die stralingsintensiteit hoog, maar die digtheid van die atmosfeer is laag. Die gasse is hier feitlik volledig in positiewe ione en negatiewe elektrone geïoniseer.

Die straling word egter juis in die ionisasieproses geabsorbeer, met die gevolg dat die stralingsintensiteit met afname in hoogte afneem. Die digtheid van die atmosfeer neem egter met afname in hoogte toe, wat weer 'n toename in ionisasie veroorsaak. Met verdere daling in hoogte is soveel straling reeds geabsorbeer dat die konsentrasie ione begin afneem, hoewel daar 'n toename in die digtheid van die atmosfeer is. Op hoogtes laer as 70 km is die straling sodanig geabsorbeer dat geen verdere ionisasie plaasvind nie.

Die ionosfeer dien dan ook die nuttige doel am lewe op aarde teen ʼn skadelike oormaat van X-strate en ultraviolet strale van die son af te beskerm. Die ionisasie op 'n bepaalde plek is die grootste wanneer die son loodreg bokant is, en die ionosfeer is dan ook op die laagste vlak. Die ionisasie neem af en die hoogte neem toe namate die sonstrale skuinser val. Bogenoemde feite sou slegs geld as die atmosfeer net uit een soort gas bestaan het.

Die atmosfeer bestaan egter uit verskeie soorte gasse, en dit lei tot verdere komplikasies in die ionisasieproses. Verskillende gasse word deur verskillende dele van die sonspektrum geïoniseer, en as gevolg hiervan ontstaan verskillende lae. Verder ontbind die gevormde ione en elektrone weer met mekaar en 'n dinamiese ewewig ontstaan. Hierdie herkombinasieproses is ingewikkeld en elektrone verbind meestal net met twee- of meer-atomige ione, waarna die ioon in twee neutrale deeltjies opbreek. Indien die atmosfeer op 'n bepaalde hoogte hoofsaaklik uit twee- of meer-atomige gasse bestaan, vind die herkombinasie vinnig plaas. Dit is dan ook die geval by die laer lae tot op 'n hoogte van 200 km (D-, E en F₁-Iae). Op groter hoogtes bestaan die atmosfeer merendeels uit een-atomige gasse. Bokant 100 km neem die druk van die ligter gasse ook stadiger af, en die konsentrasie van een-atomige gasse neem toe. Aangesien herkombinasie nou baie stadig plaasvind, kan die ionisasie etlike ure lank bly voortbestaan sonder dat nuwe ione gevorm word.

Gebiede in die ionosfeer

Die laagste gebied van die ionosfeer is die D-Iaag en dit kom op ʼn hoogte van ongeveer 70 tot 100 km voor. Die D-Iaag is swak geïoniseerd. Op 'n hoogte van 70 km is die konsentrasie ione slegs 'n paar honderd per cm³, en op 95 km, waar dit geleidelik in die E-Iaag begin oorgaan, is dit enkele tienduisende per cm³. Die ionisasie in die D-Iaag word hoofsaaklik deur ultraviolet strale veroorsaak, en veral deur die Lyman-alfastraling met 'n golflengte van 121,6 nm, wat sterk in die son se spektrum aanwesig is. Hierdie stralings ioniseer stikstofmonoksied (NO). Hierdie gas kom slegs in ʼn bale klein konsentrasie in die atmosfeer voor, maar dit is genoeg om die ionisasie in die D-Iaag te veroorsaak.

Ionisasie word in mindere mate ook deur X-strale en kosmiese strale veroorsaak. Die gevormde ione se herkombinasietyd is bale kort, en ionisasie verdwyn by sonsverduistering 01 na sonsondergang binne enkele minute. Aan die onderkant van die D-Iaag bereik die temperatuur ʼn minimum van -70°C tot -80 °C en die gebied staan as die mesopouse bekend. Die D-Iaag weerkaats radiogolwe met baie lae frekwensies (10 kHz), maar dit absorbeer hoër frekwensies baie sterk. Die verdwyning van die D-Iaag in die nag gee dan ook aanleiding tot die verskynsel dat mediumgolfradio-uitsendings na sonsondergang drasties verbeter. Gedurende uitbarstings op die son kan die ionisasie van die D-Iaag sodanig toeneem dat alle radiogolwe geabsorbeer word.

Langafstand radiokommunikasie word dan onmoontlik, en die situasie staan as SID (sudden ionospheric disturbance) bekend. Die D-Iaag kan as gevolg van die sterk absorpsie nie met 'n ionosonde ondersoek word nie, en ondersoek geskied veral met behulp van instrumente in ruimtetuie. Die tweede laag is die E-Iaag, wat strek van 'n hoogte van 100 km tot 140 km. Die laag bestaan, soos die D-Iaag, slegs wanneer die son skyn, hoewel dit snags nie heeltemal verdwyn nie. Die ionisasie word ook deur ultraviolet strale in die golflengtegebied 91 nm tot 103 nm veroorsaak (asook 'n klein bydrae van X-strale). Twee-atomige suurstof is hoofsaaklik vir die ionisasie verantwoordelik, en die herkombinasietyd is slegs enkele minute.

Die konsentrasie ione bereik 'n maksimum op 'n hoogte van ongeveer 100 km, en is ongeveer 5 x10⁵ ione per cm³. Die E-Iaag word ook sterk deur sonvlekke beïnvloed en met verhoogde aktiwiteit van die son verder versterk. Soms ontstaan daar 'n dun, maar sterk geïoniseerde E-Iaag, die sogenaamde sporadiese E-Iaag, wat willekeurig ontstaan en verdwyn. Dit word waarskynlik deur kosmiese deeltjies, en veral metaalatome wat van meteoriete afkomstig is, veroorsaak. Hierdie lae ontstaan veral in gebiede waar wind 'n sterk gradiënt met hoogte het. Radiogolwe in die frekwensiegebied 1-3 MHz word deur die E-Iaag weerkaats, en die E-Iaag kan dus met 'n ionosonde ondersoek word. Elektriese strome wat in die E-Iaag vloei, veroorsaak klein afwykings in die aarde se magneetveld.

Die ionosfeer se boonste laag staan as die F-Iaag bekend, en dit word verdeel in die F₁-laag, wat van 100 km tot 200 km strek, en die F₂-Iaag, wat van 200 tot 400 km strek. Beide lae ontstaan hoofsaaklik deur die ionisasie van suurstof in die vorm van enkel atome deur ultraviolet strale in die golflengtegebied 17 nm tot 91 nm. Die herkombinasietyd van die F-laag is so groot dat die laag regdeur die nag kan bestaan. Die F₁-laag volg soos die E-Iaag ʼn reëlmatige gedrag saam met die son. Die ionisasie is eweredig aan die sonhoogte, en op gematigde breedtegrade is die variasie in die somergroot maar klein in die winter. Die gedrag van die F₂-Iaag is daarenteen in baie opsigte uit pas met die son.

Die laag is selfs gedurende die lang poolnagte nog by die pole teenwoordig. Dit kan deels verklaar word deurdat die temperatuur op hierdie hoogte aan die dagkant honderde grade hoër is as aan die nag kant en dat winde ontstaan wat ione en elektrone van die daggebiede na die naggebiede meevoer. Die magneetveld van die aarde en die breedtegraad het ook 'n invloed op die F₂-Iaag. Die ionisasie is laer by die magnetiese ewenaar en vertoon by ʼn magnetiese breedtegraad 'n maksimum van ongeveer 10- 20º. Die digtheid van ione in die F-Iaag is ongeveer 2 x 10⁶ ione per cm³ op 'n hoogte van 200 tot 300 km. Bundels gelaaide deeltjies van die son af kan steurings in veral die F₂-Iaag veroorsaak en dit staan as ionosferiese storms bekend. Die digtheid van die atmosfeer in die F-Iaag is so klein dat satelliete lank in bane dan ook kan beweeg. Die F laag word dan ook deur satelliete ondersoek.

Voortplanting van radiogolwe

Radiogolwe is elektromagnetiese golwe soortgelyk aan lig. Dit beweeg ook teen ligsnelheid (c= 3 x 10⁸ m/s) deur 'n vakuum en golflengtes varieer van ongeveer 1m tot etlike kilometers. Die ooreenstemmende frekwensies is ongeveer 300 MHz tot 'n paar kHz. Wanneer die golwe die ionosfeer bereik, oefen die elektriese veld van die golf 'n krag op die gelaaide deeltjies in die ionosfeer uit. Elektrone is minstens 1 800 maal ligter as die positiewe ione, en die uitwerking wat die radiogolwe op die ione het, is dus weglaatbaar klein in vergelyking met die uitwerking op elektrone. Die elektrone vibreer in pas met die radiogolf se elektriese veld en absorbeer so die golf se energie.

Die vibrerende elektrone straal egter nou weer die energie uit en die netto effek is dat die golf stadiger beweeg. Geen energie word egter geabsorbeer nie. Indien die atmosfeer se digtheid groot genoeg is, bots die vibrerende elektrone met molekules en ione en dra die energie aan hulle oor. ln die geval word die radiogolf nie weer uitgestraal nie, en die netto effek is dat die energie van die radiogolf geabsorbeer word. Dit is wat byvoorbeeld in die D-Iaag gebeur. 'n Belangrike eienskap van geïoniseerde gasse is dat dit ʼn sogenaamde kritieke plasmafrekwensie het. Die plasmafrekwensie hang van die elektrondigtheid af en word aangedui deur fc = 8 980 √ n Hz, waar n die elektrondigtheid per cm³ is. Hoe hoër die elektrondigtheid, hoe hoër is die plasmafrekwensie. Radiogolwe met 'n frekwensie laer as die plasmafrekwensie van 'n bepaalde gebied van die ionosfeer, kan glad nie deur die ionosfeer voortgeplant word nie. Die pad wat 'n radiogolf deur die ionosfeer volg, word deur Snel se brekingswet bepaal, net soos in die geval van 'n ligstraal deur glas. In hierdie geval is die brekingsindeks egter kleiner as 1 en kan dit selfs 0 word. 'n Brekingsindeks van kleiner as 1 beteken dat die snelheid van die radiogolf in die ionosfeer groter is as ligsnelheid. Dit is egter onmoontlik. Hier moet onderskei word tussen fasesnelheid en groepsnelheid.

Die fasesnelheid is die snelheid waarmee individuele golfies in 'n golfpakkie voortplant, en dit kan groter as ligsnelheid wees. Die groepsnelheid is die snelheid waarmee die golfpakkie of amplitudevariasies self beweeg, en dit is kleiner as ligsnelheid. Die groepsnelheid is ook 0 as die brekingsindeks 0 word. Die brekingsindeks van die ionosfeer is 'n funksie van sy plasmafrekwensie en ook van die frekwensie van die radiogolf. Indien 'n radiogolf met 'n bepaalde frekwensie opwaarts beweeg, is die brekingsindeks in die swak geïoniseerde lae feitlik 1, en die ionosfeer het weinig invloed op die radiogolf. Op hoër hoogtes neem ionisasie toe. Die plasmafrekwensie neem toe en die brekingsindeks en die groepsnelheid van die golf word kleiner. As dit 'n gebied bereik waar die plasmafrekwensie gelyk is aan die frekwensie van die radiogolf, word die brekingsindeks en groepsnelheid nul.

Die radiogolf word dan vertikaal na die aarde teruggekaats. Volgens hierdie berekening is die hoogte wat deur 'n ionosonde aangedui word, altyd groter as die werklike weerkaatsingshoogte. Daar word dus gepraat van ʼn virtuele weerkaatsingshoogte. Indien die frekwensie van 'n radiogolf hoër is as die hoogste plasmafrekwensie van die laag, word die golf nie teruggekaats nie. Dit breek dus deur die laag en beweeg verder. 'n Verdere komplikasie by die weerkaatsing van radiogolwe is dat die magnetiese veld van die aarde veroorsaak dat twee brekingsindekse vir 'n bepaalde frekwensie bestaan. Elke brekingsindeks geld vir 'n bepaalde sirkulêre polarisasie; een regsom en een linksom.

Op die ionogram word dan twee weerkaatsings gesien. Een stem ooreen met die toestand waar daar geen magneetveld sou gewees het nie. Die tweede kom oënskynlik vanaf ʼn laer hoogte en is met ongeveer 1,4 MHz verskuif. Hierdie buitengewone komponent is veral naby die kritieke frekwensie van die F₂-Iaag sigbaar. Vertikale radiogolwe met ʼn frekwensie hoër as die kritieke frekwensie van die F₂-Iaag dring heeltemal deur die ionosfeer en word nie teruggekaats nie. Indien golwe egter skuins op die ionosfeer val, word dit volgens Snell se wet weg van die normale op die invalsvlak gebreek aangesien die brekingsindeks kleiner as 1 is. Omdat die brekingsindeks met hoogte afneem, word die golf al hoe meer gebuig en kan dit na die aarde teruggebuig word. Frekwensies hoër as die kritieke frekwensie kan dus wei na die aarde terugkeer indien dit teen 'n kleiner hoek as ʼn bepaalde kritieke hoek met betrekking tot die horisontale vlak uitgestraal word.

Daar is dus 'n punt P op die oppervlak van die aarde wat die naaste punt is aan die sender wat met weerkaatsings van die ionosfeer af bereik kan word. Radiogolwe kan ook oor 'n kort afstand horisontaal beweeg en uitsendings is dus tot op 'n bepaalde punt Q met hierdie bodemgolf moontlik. Punt Q kan egter nie ver agter die horison lê nie. Tussen punte Q en P is daar dus 'n gebied waar geen radio-ontvangs moontlik is nie, en dit staan as die dooie sone bekend. Namate die frekwensie van die sender verlaag word, verander die brekingsindeks; punt P kom nader en die dooie sone word kleiner.

By 'n frekwensie gelyk aan die kritieke frekwensie verdwyn die dooie sone heeltemal. Vir radiokommunikasie oor groot afstande moet die hoogs moontlike frekwensie gebruik word omdat die absorpsie in die ionosfeer dan die minste is. Absorpsie in die D-Iaag is veral gedurende die dag van belang. 'n Frekwensie word dan sodanig gekies dat 'n horisontale golf van die F₂-Iaag af weerkaats word. Die weerkaatsing vind op 'n afstand van 1 500 tot 2 000 km van die sender af plaas, en die straal bereik die aarde op 'n afstand van 3 000 tot 4 000 km van die sender af. In hierdie geval is die dooie sone dus baie groot.

Hierdie frekwensie staan as die MUF (maximum usable frequency) bekend, en is van wee die skuins inval ongeveer drie keer hoër as die kritieke frekwensie van die F₂-Iaag. Die MUF varieer met tyd en plek aangesien die kritieke frekwensie van die F2-laag varieer. Wanneer daar geen ionosferiese storms voorkom nie, kan die MUF maande vooruit oor die hele aarde voorspel word, maar ionosferiese storms kan die gang van sake verander. Vir langafstandkommunikasie is die frekwensiegebied tussen 15 en 30 MHz die geskikste wanneer die golf oor die daggebied trek. Die kritieke frekwensie is snags laer en absorpsie minder, en die geskikste frekwensievir 'n golf oor die naggebied is tussen 2 en 10 MHz. Vir afstande groter as 4000 km is herhaalde weerkaatsings tussen die aarde en ionosfeer nodig. Die keuse van 'n gunstige frekwensie is dan moeiliker, veral as die trajek deels in die naggebied en deels in die daggebied Iê.

Die vereistes kan so teenstrydig word dat kommunikasie via die ionosfeer onmoontlik word. Frekwensies hoër as 30 MHz kan nie van weerkaatsings van die ionosfeer af gebruik maak nie, en radio-ontvangs is dan tot die horison beperk. FM- en televisieuitsendings gebruik juis frekwensies hoër as 80 MHz. Deur bepaalde omstandighede in die troposfeer (die deel van die atmosfeer tot op 'n hoogte van 12 km) is reikwydtes van etlike honderde kilometers tog soms in hierdie frekwensiegebied moontlik.

Senders in die mediumfrekwensiegebied van 500 kHz tot 2 MHz se reikafstand is snags ook etlike duisende kilometers. Bedags is die absorpsie in die D-Iaag so groot dat weerkaatsing van die ionosfeer af onmoontlik is, en die regstreekse reikafstand is dan tot 100 tot 200 km beperk. Die golwe van senders in die langgolflengtegebied (frekwensies laer as 500 kHz) word bedags van die D-Iaag af weerkaats. Min absorpsie vind plaas en die sender het bedags 'n groot reikafstand.

Snags word van weerkaatsing van die E-Iaag af gebruik gemaak, en die reikafstand is dan nog groter. Indien radiogolwe met bale langer golflengtes gebruik word, kan groot reikafstande selfs bedags sonder ʼn dooie sone verkry word. In die afgelope dekade is satelliete in hoe bane geplaas vir langafstandkommunikasie. Die satelliete weerkaats nie radiogolwe nie, maar ontvang 'n radiogolf van 'n sender af, versterk dit elektronies, en straal dit dan teen dieselfde of teen ʼn ander frekwensie na bepaalde gebiede op aarde terug. Frekwensies van etlike honderde MHz word gebruik, en dit word dus geensins deur die ionosfeer beïnvloed nie.

Bronnelys

• Wêreldspektrum, 1982, ISBN 0908409532 band