De betekenis van de toestand der ionosfeer voor radioverbindingen op lange afstand*

Tijdschrift van het Nederlandsch Radiogenootschap Juli 1948

Deel XIII No. 4

De betekenis van de toestand der ionosfeer voor radioverbindingen op lange afstand* door H. J. Groenewold K. N. M. I.( De Bilt. Voordracht gehouden voor het Nederlandsch Radiogenootschap op 15 April 1948

SU M M A RY Some well known elementary principles of the normal ionosphere and its iole in short wave radio communication have been reviewed in the following sections: 1. W ave propagation in the ionosphere. 2. Structure of the ionosphere. 3. Formation oi the layers. 4. Predictions. 5. Frequency choice on a radio circuit.

d o en A larco n i in 1901 de e e rste lan g e -a fsta n d sv e rb in d in g to t sta n d b rac h t, d ach t men aan v a n k e lijk aa n buiging van de r a d io ­ golven om het gekrom de a a r d o p p e rv la k . U it bereken ingen bleek ech ter a l sp o ed ig , d a t de gebogen golf, de zogen aam d e g ro n d ­ golf, on der de horizon v an de zen d er zo sn el in in ten siteit a f ­ neem t, d a t hij alleen op k o rte a fsta n d w a a r n e e m b a a r k an zijn. K e n n e l l y en H e a v i s i d e v e ro n d e rste ld e n d a a r o p elk een electrisch geleiden de la a g op gro te hoogte, w a a rte g e n de r a d io ­ golven op hun w eg om de a a r d e w ord en te r u g g e k a a tst. D eze la a g zou o n tsta a n d o o r ïo n isatie v an de hogere a tm o sfe e r on der invloed van de zo n n estralin g. V rije electrisch e ladin gen op gro te hoogte w are n o v erigen s re e d s een k w a r t eeuw e e rd e r d o o r B a l f o u r S f e w a r t v e ro n d e rste ld om de d a g e lijk se v a r ia tie s v an het m agn eetv eld v an de a a r d e te v e rk lare n . E e r s t een k w a r t eeuw la te r w erd en geio n iseerd e lag en d o o r m etingen m et rad io reflectie s n a d e r aan g eto o n d en onderzocht. H ie r a a n is v o o r­ a l de n aam van A p p l e t o n verbon d en , die in E n g e la n d een u itg eb reid io n o sfeero n d erzo ek o p b o u w d e en d a a r v o o r on lan gs de N o b e lp rijs v o o r n atu u rk u n d e v erw ierf. O o k in N e d e rla n d w erd en v an het begin af onderzoekingen v errich t d o o r E l i a s .

H. J. Groenewold

104

G ed u ren d e de la a ts te k w a r t eeuw en v o o ra l in dê la a t s t e 10 j a a r is d o o r vele onderzoekingen o v er de hele a a r d e de kennis van de io n o sfeer ste rk v erm eerd erd . D e gegev en s zijn nog g e ­ heel onvoldoende om de p ro c e sse n , die a a n de vorm ing en het g e d ra g van de io n o sfeer ten g r o n d s la g liggen, te b egrijp en . Toch leid t de tegen w o o rd ige kennis re e d s to t ro u tin eto e p assin g en , die in het r a d io v e rk e e r op lan ge a fs ta n d in ruim e m ate w ord en geb ru ik t. W e zullen enkele van de b e la n g rijk ste punten v an de g ro n d slag e n en to e p a ssin g e n b e sp rek en . D a a r b ij b ep erk en w e ons to t het n orm ale g e d ra g v an de io n o sfeer en to t het H F geb ied v an de rad io g o lv en . 1.

Golfvoortplanting in de ionosfeer.

S Iralengang. B ij de K e n n e lly -H e a v isid e la a g steld e men zich de te ru g k a a tsin g aan v a n k e lijk v o o r a ls tegen het o p p e rv la k van een geleid er. W e nemen eens een electro m agn etisch e golf (rad io o f licht), die v a lt op de v lak k e b egren zin g v an een hom ogeen medium m et b rek in g sin d ex n. D e go lfv ergelijk in g h eeft de vorm

ö2

a2

a2

n

d /

d*

f l f )

c) * 2

da \

w a a r cp een electro m agn etisch e v eld gro o th eid v o o rste lt. E e n m onochrom atische v lak k e g o lf m et freq u en tie ƒ en in v alsh o ek a w o rd t in het algem een ge d eeltelijk te r u g g e k a a tst, ged eeltelijk gebrok en . D e geb ro k en go lf v e rlo o p t v olgen s (p = (p0 e

27ii f \ i —Tsin a - —")/;/2 - sin2 a ) \ c c ] •

V o o r n > sin 2 a is de g o lf zu iv er p e rio d ie k l =

/o\ en de ener-

F f) gie lo o p t on geh in derd door. V o o r n sin a neem t cp in de ^-richting zuiver exp o n en tieel a f en lo o p t geen energie in deze richting. W e hebben d an to ta le reflectie. In een o p tisch medium is n gegeven d o o r de d isp e rsie fo rm u le n

2

i

P e r cm 3 zijn effe c tie f N k electron en m et eigen freq u en tie f k ■ H u n lad in g en m a s s a zijn e en m. In een electrisch e g e le id e r

Ionosfeer en radioverbindingen

105

noemen w e het effectieve a a n ta l geleid in gselectro n en p e r cm 3 N e . Z e w ord en a ls vrij b esch ou w d , dw z. hun eigen frequ en tie is O. Z o la n g ƒ v er genoeg beneden de overige f k’& blijft, kunnen de b ijd ragen van de la a t s t e v e r w a a r lo o sd w ord en . D a n krijgen w e v o o r de b rek in gin d ex n

I

N e/

2

nm f

/~2 /

n w o rd t n e g a tie f v o or freq u en ties ben eden de k ritiek e freq u en tie

0,90 . IO4 ^ N e . D a n tr e e d t v o o r elke in v alsh o ek to ta le reflectie op. Bij een m e ta a l ligt de k ritiek e frequ en tie in het algem een in h et u ltr a ­ violet. V o o r bijv. 3.IO15 c/s ( l = IOOO A ) is het a a n ta l g e le id in g s­ electron en IO / c m . A ls w e v o o r een geio n iseerd e la a g een k ritiek e freq u en tie van 3.lO ó c/s ( 2 = lOOm) vinden, is de electron en dich theid IO /cm . D it g e e ft v o o rlo p ig een idee van de g ro o tte o rd e . W e zullen zien d a t een geio n iseerd e la a g niet sch erp b e g re n sd is. D e electron en dich th eid neem t n a a r boven geleid elijk toe to t een maximum N ?7H en d an w eer af. Is de re latie v e v eran d erin g van N e, dus ook van n, klein o v er de a fs ta n d v an een golflengte, d an k an de go lfth eo rie w ord en b e n a d e rd d o o r de strale n th eo rie. E v e n a ls in de o p tic a (su rfa c e co atin g) z a l de s t r a a l nu o f geheel d o o rg e la te n o f geheel te r u g g e k a a ts t w orden . D e stra le n g an g k an uit de b rek in g sw e tten w ord en b erek en d o f nog a a n ­ sch o u w elijk er uit een m echanisch m odel w ord en afg e le id . V o o r een m onochrom atische golf m et freq u en tie f kunnen w e ( 1) m et (4) schrijven a ls a2

4 71N e e‘ m

+

*) Door in (5) voor de fk 's niet de eigenfrequenties van de electronen in de afzonderlijke atomen of molekulen te nemen, maar die in het dichte medium, is de zgn. Lorentz-Lorenz correctie impliciet al in rekening ge­ bracht. Voor een geleider verliest deze correctie zijn oorspronkelijke zin. B ij kan passend worden uitgebreid. Onafhankelijk daarvan geldt (4) onder de hier gemaakte veronderstellingen streng. Bij verdere complicaties zoals magnetische dubbelbreking moeten echter in het algemeen nog wel cor­ recties worden aangebracht.

H. J. Groenewold

106

V o o r een d eeltje m et m a ssa m , d a t zich m et een to ta le energie E ' b e w e e g t in een p o te n tia a lv e ld V , g e ld t de Sch rö d in g er go lfvergelijk in g \

)2

c 02 \ ------ — » + ----r + --- z + d Z ! ' è y 2 n i \ö ~

r

(

1

(Jl = co n stan te van P lan ck 2 jz). K iezen w e V = N,

2

2

2

Tl e jl

2 7i nvri E

\E =

2 ;//

/-2

! 2

d an is (7) geheel a n a lo o g m et (6). A n a lo o g m et de strale n -

Fig. 1. Model van een vlakke laag met schema voor stralengang.

op tisch e b en ad e rin g van (6) krijgen w e de k la ssie k m echanische b en ad erin g v an (7). D e b a a n v an het d eeltje in het m odel v o lg t de s t r a a l v an het sig n a a l in het origineel. D e snelh eid v an het * ^ ƒ* d eeltje is ----- > de gro ep ssn e lh eid van het sig n a a l is 11 c } de nï c verh ou din g —~~ is o v er de hele b a a n co n stan t. D e freq u en tie f m c %f h et sig n a a l b e p a a lt de begin sn elh eid —-— van het d eeltje. van m c

Ionosfeer en radioverbindingen

107

W e kunnen elke s t r a a l d o o r een b a a n in het m odel

X

rib b e l (fig. 1). H e t b o lletje h eeft een co n stan te snelheid

S*n a vi c

vi c v e r tr a a g d ) rep ro d u ceren . B esch o u w en w e in het b izon d er de r a d io str a le n in een v e r tic a a l v lak , dan nemen w e a ls m odel een b o lletje, d a t ro lt o v er een h o rizo n taal v lak , w a a r o p een rib b e l is a a n g e b ra c h t m et een hoogte even red ig m et de electron en dich theid op de overeen k om stige p la a t s in de io n o sfeer.*) V o o r een v lak k e geio n iseerd e la a g k rijg t het m odel een rechte

~Jl ƒ " Q even w ijdig aa n de rib b e l en een b e g in sn e lh e id ----------lo o d rech t m c erop. H e t b o lletje kom t w el o f niet o v er de rib b e l a l n a a r f cos a^ > o f
/ ° =

!n

]/

em

71 V I

= 0,90 . i o 4 } N te ni

•

( 5 ')

Bij v a ste f < C / ° en v a ria b e le a k an het (d an ste e d s) te r u g ­ keren de b o lletje elk punt v o o r de rib b e l b ereik en en slech ts op één m anier. L a te n w e bij v a ste begin sn elh eid m et f ^ > f ° de in v alsh o ek a lan gzam erh an d toenem en, d an o n tsn a p t het b o lletje ° n a d e rt zijn b a a n o v er de rib b e l zolan g cos a^> f— . V o o r cos a = f— ij a sy m p to tisc h to t de kam van de rib b el. W ^ordt a nog ste e d s g ro ter, d an kom t het b o lletje v o o r de rib b e l teru g e e r st v e r w eg. d an d ich ter bij en v o o r bijn a rech te in v alsh o ek w eer v er w eg. D e teru gk eren d e b an en omhullen een c a u stic a , die een dode zone b eg re n st, w a a rin het b o lletje bij de gegeven b egin ­ snelheid niet k an binnendringen. E lk punt v o o r de rib b e l buiten de dode zone k an op tw ee m anieren b e re ik t w o rd e n : m et grote a (v lak k e s t r a a l) o f m et kleine a (steile ol P e d e rso n str a a l). D e la a t s t e b a a n lo o p t het v e r st tegen de rib b e l op en h eeft het lan g ste oponthoud. V o o r een om de a a r d e gebogen la a g v e ra n d e rt er q u a lita tie f *) Het laatste model is niet geheel juist doordat het bolletje op de ribbel ook een verticale beweging krijgt. Deze storing kan willekeurig klein gemaakt worden door ni' groot genoeg te kiezen (of in een model op schaal de ribbel laag genoeg).

108

H. J. Groenewold

m a a r w einig a a n het v erlo o p van de ban en (lig. 2). D e reflectie v an h et r a d io sig n a a l tegen het a a r d o p p e r v la k w o rd t in het m odel v o o rg e ste ld d o o r een e la stisc h e b o tsin g v an het b o lletje tegen een v e rtic ale w an d . H e t b o lletje w o r d t nu in een go o t om de a a r d e heen geleid. In p la a ts van de h oeveelh eid van b e ­ w egin g even w ijdig a a n de la a g is nu het m om ent v an h o eveel­ heid van b ew egin g om h et m id d elp u n t co n stan t, dw z. de

Fig. 2. Model van een om de aarde gebogen laag met schema voor stralen gang.

v o e r s tr a a l b e str ijk t in gelijke tijden gelijke o p p e rv lak k e n (p erk e n w et van K e p le r). D e m axim ale in v alsh o ek w o rd t nu b e p a a ld d o o r de r a a k s t r a a l a a n de a a r d e (o p stra a lh o e k 0). D e teru gk eren d e b a a n w o rd t in het algem een tegen het a a r d o p p e r ­ v lak gereflecteerd , alleen v o o r o p str a a lh o e k 0 g a a t hij er r a k e ­ lings lan g s. H e t snijpunt v an de c a u stic a m et het a a r d o p p e r v la k b e p a a lt de sk ip a fsta n d . E en punt binnen de sk ip a fs ta n d k an met de gegeven f niet w o rd en b e re ik t. L a te n w e v o o r v a ste

109

Ionosfeer en radioverbindingen

f de o p stra a lh o e k toenem en van 0° to t 90°, d an krijgen w e e e r st de v lak k e ban en . H e t punt w a a r het a a r d o p p e r v la k v o o r h et e e r st w e e r getro ffen w o rd t kom t ste e d s d ich ter bij, to t (v o o r ƒ < / ° ) het u itg an g sp u n t o f (v o o r de sk ip a fsta n d is b ereik t. In het la a t s t e g e v a l kom en d a a r n a nog de steile ban en en het punt v e rw ijd e rt zich w e e r o n b ep erk t. T en ­ slo tte kom en dan de ban en , die n a a r buiten o n tsn ap p en . V o lg e n s de re g e ls van d it „h e m e lb ilja rd " k an elk punt op a a r d e buiten de sk ip a fsta n d op m eerdere m anieren (v lak en ste il en in een versch illen d a a n ta l sp ron gen ) w o rd en b ereik t. Verticale peiling en M U F bepaling . a ) 1 laag. D e s t a n d a a r d ­ m etingen a a n de geio n iseerd e lagen gesch ieden d o o r rad io peilingen. K o rte sto ten w ord en v e r tic a a l uitgezonden en n a

reflectie w e e r opgevan gen . H e t in tu ssen verlop en tijd sin te rv al w o rd t m et een o sc ilo g r a a f g e re g istre e rd . H e t w o rd t u itg ed ru k t , ct . in de sch ijn b are hoogte h' — — , d.i. de hoogte, die w e v o o r een 2

sch erp b eg ren sd e la a g zouden afleiden. W e hebben hier het prin cipe w a a r u it la te r de r a d a r is voortgekom en . D e freq u en tie van de ach tereen v o lgen d e sto ten w o rd t geleidelijk verh oogd. D e sign alen dringen d an ste e d s d iep er en m et m eer v e rtra g in g in de la a g door to td a t de k ritiek e freq u en tie f ° w o rd t b ereik t. Bij nog hogere freq u en tie dringen ze d o o r de la a g heen. H e t v erlo o p van de Ji -J krom m e is uit het m odel gem akk elijk a f te leiden. Ji neem t m et toenem ende f toe en g a a t bij f ° n a a r oo (fig. 3a).

110

H. J. Groenewold

U it de Ji ( ƒ ) krom m e kunnen w e nu ook het v erlo o p van de gereflecteerd e s t r a a l bij scheve in val b ep alen . W e besch ou w en e e r st w eer een v lak k e la a g . D e v e rtic ale b ew egin gscom pon en t bij in v lash o ek a en freq u en tie ƒ is d ezelfd e a ls bij lood rech te in v al en freq u en tie ƒ cos a ( M a r t y n ) . D e s t r a a l kom t dus uit de la a g teru g a ls o f hij w a s gereflecteerd tegen een sch erp b e ­ gren sd e la a g op h oogte / / ( ƒ cos a) ( B r e i t en T u v e ) . K o m t hij op een a fsta n d D w e e r op de grond, d an is cos a =

2 h'

—. r 4 h! 2 + D 2 W e teken en nu v o o r versch illen d e a fsta n d e n D de krom m en v o o r h! (log cos a) (fig. 3b) en leggen deze o v er de / / (log / ) krom m en v o o r v e rtic ale reflectie m et de h orizon tale a sse n op

Fig. 3b. h' (log cos a) voor verschillende afstanden D.

e lk a a r. L e g g e n w e de v e rtic ale a sse n op een a fs ta n d l o g / , d an lezen w e u it h et sn ijpun t v an de beide krom m en de sch ijn b are hoogte h' (en de in v alsh o ek a) af. D o o r h' o v er te bren gen v an log ( / c o s a) n a a r l o g / krijgen w e de / / ( l o g / ) krom m en v o o r de v ersch illen d e a fsta n d e n D (fig. 3c). V o o r f f ° zijn er e e r st tw ee (v lak k e en steile s t r a a l) to t a a n de sk ip freq u en tie w a a rb o v e n geen verb in d in g m ogelijk is. V o o r gegeven D kan de sk ip freq u en tie o f M U F (m axim um u sa b le freq u en cy ) d irect w o rd en b e p a a ld d o o r de g e co n stru ee rd e h' (log cos a) krom m e te late n rak e n a a n de v o o r v e rtic ale in v al gem eten h ' ( l o g / ) krom m e. D a a r v o o r zou een heel stu k v an de / / - ƒ krom m e b e sc h ik b a a r m oeten zijn, dus eigenlijk oneindig veel p aram eters»

Ionosfeer en radioverbindingen

111

G elu k k ig k an men in de p ra c tijk m et slech ts tw ee (v oo r de F 2 la a g ) o f één (v o o r de E la a g ) p a r a m e te r s v o lsta a n . D it k an a ls v o lgt w ord en gem otiveerd. B en ed en de hoogte hni van m axim ale electron en dich th eid N em k an men N e vrij goed b en ad eren d o o r een p a ra b o lisc h e functie N e = N ern 1 v

—

v o o r hm - ym < h < hm .

1 v

W e hebben d an 3 p a r a m e te r s : N em o f f ° (b e p a a ld d o o r (5')), hm en de „h alv e la a g d ik te ” y m. U it het m echanisch m odel zien w e d a t a ls in een w illek eu rige la a g N e o v e ra l in d ezelfd e ver-

Fig. 3c. h’ (log f ) voor één laag bij scheve reflectie voor verschillende afstanden D.

houding v e ra n d e rt, de functie k ’ b olisch e la a g ” h an gt h

gelijk blijft. In een „ p a r a ­

\ dus alleen a f van hm en y m. H et\f°]

zelfde g e ld t d an v o o r de zgn. M U F fa c to r M _ M U F j . ^ f° verh oudin g van M U F v o o r a fs ta n d D en a fsta n d O. Z e lfs b lijk t M ( D ) m a a r w einig van y m a f te hangen, z o d a t w e m et slech ts een p a ra m e te r hm beh oeven te rekenen. V o o r een la a g w a a rin h m m a a r w einig v a r ie e r t (zo als de F la a g ) is M (D ) bij b e n a ­ d erin g zelfs een v a ste functie van D . In de p ra k tijk g e e ft men nu m e e sta l de w a a rd e n van f ° en van M (JU ) v o or een sta n d a a r d a fsta n d D (3000 km v o o r F 2 en F If 1500 km v o o r F ) . D o o r

H. J. Groenewold

112

m iddel van s ta n d a a r d tran sm issiek ro m m en o f nom ogram m en kan d an de M U F v o o r de gew en ste a fsta n d e n w ord en b e p a a ld . Bij een om de a a r d e gebogen la a g k an b et d eel w a a rin de gekrom de s t r a a l v e rlo o p t in het algem een a ls v lak w ord en b e ­ n ad erd . E r m oeten d an nog enige m eetkundige co rrecties v o o r D (gem eten lan g s het a a r d o p p e r v la k ) en h ’ w ord en a a n ­ g e b rach t, die in de in geb ru ik zijnde tran sm issiek ro m m en of no­ m ogram m en zijn v e rw e rk t. D a t de la a tste n v o o r zover ze uit versch illen d e bronnen voortkom en onderling afw ijk in gen vertonen, ligt a a n de versch illen d e m anieren w a a r o p ze zijn o n tsta a n en de vereen voudigin gen en b en ad erin gen die d a a rb ij zijn to e g e p a st.

h km 8oo. beo 400

2 00

0 f —* O

10

u Hc/s

Fig. 4. h '-f registrering (schematisch) van E en F \ laag (winterdag op gematigde breedte). Horizontale verdubbeling door magnetische dubbelbreking.

Z o n d e r d ergelijk e vereen voudigin gen zouden ze ech ter hun zin verliezen. b) meer lagen. B e v in d t zich boven de e e rste la a g een tw eed e m et kleinere m axim ale io n isatie, d an k an die sign alen , die d o o r de e e rste zijn heengedrongen, niet m eer reflecteren . I s ech ter zijn N em g ro te r, d an kunnen ook uit de tw eed e la a g sign alen terugkom en . Bij v e rtic ale peilin g vinden w e d an tw ee k ritiek e freq u en ties. Bij reflectie tegen de b o v en ste la a g g e e lt de o n d erste een e x tr a v e rtrag in g , die klein er w o rd t n a a rm a te zijn k ritiek e freq u en tie m eer w o rd t ov ersch red en . T u sse n de tw ee k ritiek e freq u en ties zal h' d a a r d o o r e e r st afnem en, d an w e e r toenem en (fig. 4). T e rw ijl uit het v erlo o p van de ion isatied ich th eid de h! -f krom m e een duidig is b e p a a ld , kan men uit de la a t s te alleen

Ionosfeer en radioverbindingen

113

zo lan g de io n isatiev erd elin g een duidig afleid en a ls deze m ono­ toon m et de hoogte toen eem t (d e G r o o t ) . Is een m aal een maxim um g e p a sse e r d , d an kunnen de v ertrag in g en in het b o v en ste d eel v an de o n d erste la a g en in het o n d erste d eel van de v o l­ gende la a g niet m eer een duidig v an e lk a a r w ord en gesch eiden . M en k an u it de gep eild e t i -f krom m e de lagen w el q u a lita tie f o p lo ssen , m a a r in het g e d e ta ille e rd e v erlo o p van de io n isatie boven het e e rste maxim um blijven onzekerheden. B oven d ien h eeft de on n auw keurigh eid in de h' -f m etingen, die in de reg e l min­ ste n s enige % b e d r a a g t, een g ro te invloed op de b ep alin g van het io n isatie v erlo op . D e volledige norm ale h '-f krom m e v erto o n t 3 k ritiek e fre-

K km

Fig. 5. h '- f registrering (schematisch) van R y F x en F\ laag (zomerdag op gematigde breedte) Verticale verdubbeling door 2-voudige reflecties

qu en ties (fig. 5). D e la a g s te w o rd t to egesch rev en aa n de E la a g (de oude K e n n e lly -H e a v isid e la a g ), de h o o gste aan de F 2 la a g (de A p p le to n la a g ). B eid e hebben een ste il toenem ende h ’ , D a a r tu s s e n is een la a g m axim um van 1i , to egesch rev en aa n de F z la a g , on d er de F 2 la a g en d a a r v a n niet sch erp gesch eiden . D o o r h et o v er e lk a a r v allen v an de beiden F lagen b lijft er in de to ta le ion isatied ich th eid van het maxim um van de F Tla a g slech ts een on regelm atigh eid over. O p h et g e d ra g v an de lagen komen w e nog teru g. V a n enkele num erieke gegev en s zijn de gro o tteorden verm eld in ta b e l 1. Absorptie. Z o la n g men van a b so rp tie afziet, w o rd t alle energie, die de electron en uit het electrom agn etisch e veld opnem en, w eer v o lled ig u itg e str a a ld . D o o r b o tsin gen zullen de electron en ech ter

114

H. J. Groenewold

een deel van deze energie aan de gasm olecu len o v erd ragen . D e stra lin g w o rd t d an ged eeltelijk g e a b so rb e e rd . Bij gem iddeld v b o tsin g en /sec krijgen w e in p la a ts v an (4)

.

i

Ne E

n - i = ------------ ----- -— n m ƒ 2+ i f v 11 is d an com plex en (2) g e e ft een in de ^-richting exponentieel

afnem ende p erio d iek e golf. E r is in het medium nu ste e d s een (gro te ol kleine) sta tio n a ire en ergiestro o m , die n a a r binnen d o o r a b so rp tie afn eem t. H e t sch erp e on d ersch eid tu sse n to ta le d o o r­ latin g en to ta le te r u g k a a tsin g v e r v a a g t nu enigzins. Z o la n g ech ter de a b so r p tie niet al te g ro o t w o rd t, k an men bij b e ­ n ad erin g de boven afg ele id e stra le n g a n g h an d h aven en v o lsta a n m et de in ten siteitsafn am e in reken in g te brengen. Tabel 1

(D e

g e tallen geven slech ts g ro o tte o rd e n van ste r k v a ria b e le o f on n au w k eu rig b eken de grooth ed en ) la a g

hm hoogte m ax electron en dich th eid

D

E

Fz

F.2

70 km 120 km

220 km 300 km

10 km

30 km 100 km

y m „h a lv e d ik te ’’ N em m ax electron en dich th eid

104/cm 3 10° /cm 8 3.10^/cm 3 106/cm s

v b o tsin g sfreq u e n tie

1 0 /se c

10°/sec

103/se c 3 .1 0 2/se c

V o o r afnem ende freq u en tie v an de r a d io g o lf neem t de a b so rp tie toe d o o rd a t de electron en g ro te re am p litu d en krijgen, d u s bij de b o tsin gen gem iddeld m eer energie verliezen. E e n gro te a b s o r p ­ tiecoëfficiënt tre e d t in norm ale o m stan d igh ed en alleen op in de D la a g . D eze b ev in d t zich o v e rd a g on der de E la a g . D e io n isatie is zo klein, d a t de k ritiek e freq u en tie in h et o m roep geb ied v a lt en d a a r d o o r m oeilijk gem eten k an w orden . D e g asd ich th eid is ech ter w egen s de b etrek k elijk e geringe hoogte zo gro o t, d a t de b o tsin g sfreq u e n tie aan zien lijk w o rd t. D e la g e re freq u en ties w ord en d a a r d o o r o v e rd a g in de D la a g ste rk g e a b so rb e e rd . Bij klein ere ab so rp tieco ëfficiën t k an de to ta le a b so r p tie toch nog g ro o t zijn d o o rd a t het sig n a a l lan g in een la a g b lijft. D it tre e d t op bij een sig n a a l, d a t m et een gro te freq u en tie m a a r on der een v lak k e hoek d o o r de D la a g g a a t, ol d a t m et gro te v e rtra g in g d o o r een hogere la a g w o rd t d o o rg e la te n of

115

Ionosfeer en radioverbindingen

te r u g g e k a a ts t. G ro te v e rtra g in g tr e e d t o.a. op bij v e rtic ale peilin g in de b u u rt van een k ritiek e freq u en tie. V a n de pieken in de h ' -f krom m e w ord en de h o o gste stu k k en d an ook niet w aargen om en . O o k steile stra le n (P e d e rso n stra le n ), die in één sp ro n g een zeer g ro te a fsta n d o v erb ru ggen , kunnen d o o r de ste rk e a b so rp tie niet w o rd en w aargen om en . M eignetidche dubbeLbrekuig. D e la a t s t e com plicatie, die w e nog zullen b esp rek en , is het effect van het m agn etisch v eld v an de a a r d e . Z e tte n w e een o p tisch medium in een m agn etisch veld H , d an w ord en de sp e c tra allijn e n m et freq u en tie fk g e sp litst volgen s h et Z eem an effect, m et p o la risa tie to e sta n d e n , die a f ­ hangen van de onderlinge richting van w aarn em in g en v an m agn e­ tisch veld. L a te n w e nu een lic h tstr a a l d o o r een medium gaan , d an o n d e rg a a t deze een d u b b elb rek in g, die ook w e e r a fh a n k e ­ lijk is van de hoek tu sse n de lic h tstr a a l en het m agn etisch e veld. Bij 0° (lo n g itu d in aal veld ) krijgen wij het F a r a d a y effect, bij 9 0 ” (t r a n s v e r s a a l v eld ) h et C o tto n -M o u to n effect. W a n n e e r w e ons in een la a g m et geleid elijk v eran d eren d e electron en d ich th eid w e e r b ep erk en to t de b ijb ra g e van w a t zon der veld de n u lfrequ en tie van de vrije electron en w a s, d an k an de b rek in g sin d ex n v o o r de gew one en v o o r de buiten gew on e s t r a a l d ire ct w ord en a fg e le id a ls functie van de lon gitu dian le en tr a n sv e r sa le com ponenten L en T van //. H e t m echanisch m odel is nu niet m eer b ru ik b a a r. Bij v e rtic ale peilin g d rin gt een sig n a a l m et freq u en tie J d o o r to t een hoogte w a a r v o o r _

N e e*

N ee 2

N e b e p a a ld is d o o r f ~ — —-— v o o r de gew one, f (f -f f / / ) = mc mc

(a ls ƒ < ƒ / / )

v o o r de buiten gew on e s tr a a l, w a a rb ij /

h

—

eH O

't t 4 M

r

de d u b b ele L a r m o r freq u en tie v o o rste lt. D e doord rin gin gsd iep te is dus on afh an k elijk van de richting v an het m agn eetveld . D e v e rtra g in g en dus ook h' ech ter niet. D e k ritiek e frequ en tie bij v e rtic ale peilin g b lijft v o o r de gew one s t r a a l gegeven d o o r (5'), v o o r de bu iten gew on e s t r a a l w o rd t hij f x , w a a rb ij fx(fx + fH )= r2

,

/ x =

± \/

h

.

( ïo )

W a n n e e r f ° aan m erk elijk boven \ / h ligt, ligt f A nog on geveer \ / h hoger. O p de h'-f re g istre rin g e n ziet men de krom m e v o o r de bu iten gew on e s t r a a l n a a r h ogere freq u en ties versch oven

116

H. J. Groenewold

(fig. 5). D e versch uivin g \ / h > d.i. de L a m o r freq u en tie te r hoogte van de ion o sfeer, b e d r a a g t op onze b re e d te on geveer 0,7 M c /s. D e bew egin g van een sch eef in vallen d sig n a a l k an ten gevolge van de rich tin gsafh an k elijk h eid ten opzichte v an het m agn etisch veld niet m eer z o als v ro e g e r in een on afh an k elijk e horizon tale en v erticale (o f tan gen tiele en ra d ie le ) com ponente w ord en ontbonden. D e tran sm issiek ro m m en v o o r A1(D) m oeten w orden geco rrig eerd . D e buitengew onen s t r a a l z al een g ro te re M U F geven d an de gew one. B e sc h o u w t men de ab sorp tieco ëfficiën t, dan w o rd t die v an de buiten gew on e s t r a a l g ro te r d an die van de gew one. M en neem t d aa ro m v e e la l a a n d a t de M U F op kleine a fsta n d d o o r de bu iten gew on e, op g ro te a fsta n d d o o r de gew one s t r a a l w o rd t b e p a a ld . D e tran sm issiek ro m m en w ord en d an ook in deze zin geco rrig eerd . H ierm ee zijn d an de b e la n g rijk ste fa cto re n verm eld m et behulp w a a r v a n bij gegeven stru c tu u r v an de io n o sfeer de v o o rtp lan tin g van de rad io g o lv e n sch em atisch k an w ord en afg e le id . D e a f ­ w ijkingen, die in de p ra c tijk o p tred en , m oeten o n getw ijfeld v o o r een g ro o t d eel aa n de g e m aak te ste rk e vereen voudigin gen , m a a r m isschien v o o r een nog g ro te r d eel aa n on regelm atigh ed en in de io n o sfeer w ord en to egesch rev en . W e zullen nu in het k o rt de stru c tu u r en het g e d ra g van de n orm ale lagen b e sp re k e n . 2 2.

Structuur van de ionosfeer,

Uerticate étruc tuur. H e t v erlo o p v an de io n isatied ich th eid w o rd t b e p a a ld uit de v e rtic ale rad io p eilin gen , die reg e lm atig op de versch illen d e io n o sfe e rsta tio n s w ord en v errich t. V e rd e re gegev en s o v er de io n o sfeer w o rd en v erk re g en uit an d ere ra d io w a a r nemingen, uit gegeven s o v er aard m ag n etism e, poollich t, m eteoren, eclipsen, versch ijn selen op de zon, ra d io ru is v an b u ite n a a rd se bronnen, enz. O v e r de sam en stellin g van de a tm o sfe e r en de a a r d en in ten siteit v an u ltra v io le tte en co rp u scu laire stra lin g op gro te hoogte is nog u ite rst w einig b ek en d . M issch ien zullen in de to ek o m st m etingen m et ra k e tte n w a a rd e v o lle gegev en s v ersch affen . D e n orm ale geio n iseerd e lag en zijn van ben eden n a a r boven de D , E , F j en F 2 la a g . V e r d e r vin d t men dich t on d er de E la a g , een enkele m aal ook er boven, v a a k nog een abn o rm ale o f sp o rad isc h e E la a g E s, die de rad io g o lv en ged eeltelijk te ru g ­ k a a t s t , ged eeltelijk d o o rla a t. W e kunnen hier te doen hebben m et een ste rk geio n iseerd e dunne la a g , w a a rin on der de om-

Ionosfeer en radioverbindingen

117

stan d igh ed en van to ta le reflectie de exponentiele afn am e o v er de to ta le la a g d ik te nog zo klein is, d a t er een b elan g rijk g e ­ d eelte d o o rle k t (tunnel effect). H e t kom t ook w el voor d a t de la a g uit kleine ionenw olken b e s t a a t , w a a r de rad io go lv en nog ged eeltelijk tu ssen d o o r kunnen o n tsn ap p en . M en vin dt geen k ritiek e freq u en tie m et ste rk oplopen d e h '- f krom m e. Bij voldoen d gro te d o o rlatin g w orden de reflecties tegen de h ogere norm ale lagen tegelijk ertijd w aargen om en (fig. 6). D e E s reflecties kom en v a k e r v o or n a a rm a te de freq u en tie la g e r is, m a a r zeer on regelm atig en m et een w aarsch ijn lijk h eid , die ste rk a fh a n g t van p la a t s en tijd. D e verd elin g is w el enigszins beken d, m a a r h lim

Fig. 6. h'-f registrering (schematisch) van Es, E, E 1 (weinig uitgesproken) en F 2 laag. Es onder E \ 1, 2 en 3-voudige ^ r e f le c t ie s ; gedeelte­ lijke doorlating van de hogere reflecties.

het g e d ra g is in h et algem een te grillig om er mee te reken en v o o r het onderhouden van v a ste verbin din gen . O n d e r gu n stige om stan d igh eden k an de E s la a g to t zeer hoge M U F ’ s aan leid in g geven, w a a r d o o r zeer goede accid en tele verbin din gen to t stan d kunnen komen. Uertoop in de tijd. D e D , E en F 1 la a g g e d rag e n zich in vele opzichten ste rk an alo o g , h et g e d ra g v an de E 2 la a g w ijk t d a a r geheel van af. D e eerstgen oem d e lagen zijn ’s n ach ts z w a k o f in het geheel niet aan w ezig. O v e r d a g neem t de ion isatie v o o r de m iddag toe, d a a r n a w eer a f (fig. 7). D e k ritiek e freq u en ties f ° zijn o n gev eer ev en red ig m et c o s4 / , w a a rin 7 de hoek tu ssen de richtingen n a a r zon en zenith is. V a n de E 2 io n isatie v an

118

H. J. Groenewold

o v e rd a g b lijft 's n ach ts een b elan g rijk ged eelte over. In de zom er is de d ag io n isatie kleiner, de n ach tio n isatie g ro te r d an in de w in ter. E r tr e e d t in de zom er m idden o v e rd a g zelfs een klein minimum (d ip) op. D e afn am e in de av o n d g a a t vrij lan gzaam , v o o ra l in de zom er. M en rek en t gew oon lijk m et m aan dgem iddelden van f ° (lig. 7). D e stro o iïn g om het gem iddelde

b e d r a a g t v o o r de F 2 la a g o n gev eer 15 °/0, v o o r de an d ere lagen slech ts enkele °/0. Z e t men v o o r een b e p a a ld uur de ach tereen v o lgen d e m a an d ­ gem iddelden uit (fig. 8), d an ziet men b eh alv e de re e d s aan ged u id d e seizo en afh an k elijk h eid ( E en F x m ax. io n isatie in de zom er, F 2 in de w in ter) een 1 1-ja a rlijk se period e a n a lo o g a a n die v an het zo n n ev lek k en getal S. W a n n e e r men de seizoen af-

Ionosfeer en radioverbindingen

119

hankelijkheid enigszins elim ineert d o o r 12-m aan d elijkse gem id­ delden te nemen, d an b lijk t v o o r de E en E x la a g f ° on geveer ev en red ig m et (A + 5 ) 4 , w a a r A een gesch ik te verschuivin g van het nulpunt van S v o o rste lt. V o o r E 2 ligt de exponent d ich ter bij J .

Fig. 8. Jaarlijks verloop van de kritieke frequenties op middag en middernacht en van het zonnevlekkengetal. (een dw arsstreep duidt aan gemiddelde over 12 maanden)

Horizontale verdeling. D e h orizon tale v erd elin g van de io n isatie o v er de a a r d e k an w ord en n a g e g a a n uit de re su lta te n v an de versch illen d e sta tio n s. H e t to ta le a a n ta l sta tio n s is w isselen d en klein. E r hebben n ooit v eel m eer d an een 50 tegelijk ge-

120

H. }. Groenewold

w e rk t en er zijn m a a r w einig, die a l een g ro o t a a n ta l ja re n hebben d ien st g ed aan . D e D , F en F x la a g g e d rag e n zich vrij beh oorlijk. D e io n isatie h an gt voorn am elijk a f v an cos %. D e io n isa tie to e sta n d (niet de a tm o sfe e r, w a a rin m oleculen in ionen o v e rg aa n en o m gek eerd ) g e d r a a g t zich a ls o f hij v a s t in de ruim te s t a a t en de a a r d e er o n d erd o o r d r a a it zonder hem te hinderen. V a n u it de a a r d e gezien v e r p la a ts t de io n isa tie to e sta n d zich p er uur 15 len gteg rad en n a a r het w esten . T eken en w e de io n isa tie ­ to e sta n d van een d e r lagen op een gegeven tijd d o o r co n to u r­ lijnen v o o r co n stan te f ° te trek k en op een tr a n sp a r a n t, die op een M e r c a t o r k a a r t o f op een e q u id istan te cy lin d risch e p ro jectie van de a a r d e is gelegd , d an vinden w e de to e stan d e n op an d ere tijden van de d a g d o o r de tr a n s p a r a n t h o rizo n taal te verschuiven. T eken en w e de contourlijnen niet v o o r v a ste G M 1 (G reen w ich m id d elb are tijd), m a a r v o or v a ste P M T (p la a tse lijk e m id d elb are tijd), bijv. v o o r 12 uur 's m id d ags, d an krijgen w e h orizon tale rech te lijnen (p a ra lle lc irk e ls), die van uur to t uur P M J en van m aan d to t m aan d v e r tic a a l versch u iven . T eken en w e nu ook v o o r de F 2 la a g contourlijnen v o o r v a ste P M T y d an krijgen w e geen rech te lijnen m eer (fig. 9). D e conto u r k a a r t v o o r v a ste G M T sch u ift d aaro m niet enkel n a a r het w e ste n op in v erlo o p v an tijd, m a a r v e ra n d e rt in tu ssen ook v an vorm (lengte effect). D e F 9 la a g v e ra n d e rt dus w el in de ruim te te rw ijl de a a r d e er o n d erd o o r d r a a it. Bij n a d e r on derzoek b lijk t het m agn etisch veld van de a a r d e hierbij een gro te ro l te spelen . T erw ijl v o o r v a ste P M T de contourlijnen v o o r D , E en T\ zich o v e ral richten n a a r de lijnen van gelijke geografisch e b re e d te , hebben die v o o r F 2 een d ergelijk e neiging alleen in de b u u rt van de polen, in de b u u rt v an de e q u a to r hebben zij m eer de neiging zich n a a r de lijnen v an gelijke m agn etisch e b re e d te te richten (fig. 10). A fgezien v an de geb ied en binnen de poollichtg o rd e ls neem t de io n isatie n a a r de e q u a to r toe. S o m s tre e d t in de b u u rt v an de e q u a to r nog een klein minimum op, d a t te vergelijk en is m et d a t w a t w e in het d ag e lijk s v erlo o p m idden op een zo m erd ag tegen kw am en . E r is een ste rk e invloed v an de seizoenen, die op het n oord elijk en zuidelijk h alfro n d niet sy m m etrisch is en d a a rb u ite n zijn er tallo ze p la a tse lijk e d e ta ils, die som s m et en som s zon der enige re g e lm a a t o p tred en . D e d ich th eid sv erd elin g v an de sta tio n s sp e e lt hierbij ook een rol. Zone indeling. S o o rtg e lijk e besch ou w in gen a ls hier gegeven zijn v o o r de f ° gelden ook v o o r de M U F fa c to r (bijv. M I 500 v o or

Ionosfeer en radioverbindingen

ov \ 6

14 P M I

C\ bb IZ

Contourkaart voor f ° F 2 op vaste PM T.

121

H. J. Groenewold

122 O

o

O

O

O

>0 'T

C

O

°0

°

O

O O

^

’

O

O

o

^

^

O

O

o

3

o

o

.—.

°

0

x?

" O s T ‘-O NO

O 0

W

£ ^

Ä

rloop van geografische naar geomagnetische breedte; 3-zone indeling; poollichtgordel.

c§ r \ \0

O

tÜ iZ



«O ^ i*o ^

Ionosfeer en radioverbindingen

123

E en M 3000 v o o r F t en F a), H e b b en w e v o o r beide volledige co n to u rk aarten , d an kunnen w e hieruit in elk g e w en st reflectiep u n t het d ag elijk s v erlo op v an de M U F v o o r een gegeven a fsta n d D b ep alen . V o o r de E en F I reflecties g a a t d a t vrij eenvoudig d o o r een c o n to u rk a a rt v o o r v a ste G M T v o o r elk volgen d uur 15° over de w e r e ld k a a r t te verschuiven. V o o r F 2 g a a t deze m ethode niet m eer op ten gevolge van het len gteeffect. M en tra c h t hem nog ged eeltelijk te red d en d o o r de zone indeling. D e a a r d e w o rd t om de m agnetische a s v erd eeld in 3 secto ren van 120° (lig. 10) : een w estelijk e zone W ( W e s t ) , een oostelijk e zone E ( E a s t ) en aan w eersk an ten d a a rtu sse n de tw ee helften van de tu ssen zon e I (in term ed iate). D e contourlijnen v o o r v a ste P M T y die de neiging hebben enigszins te verlop en a ls de lijnen in fig. 10, w ord en nu in elke zone v erv an gen d o o r h orizon tale rech te lijnen. H e t len gteeffect w o rd t dus binnen elke zone verw a a rlo o sd en alleen van zone to t zone in aan m erk in g genomen. V o o r elke zone k an d an een c o n to u rk a a rt v o o r v a ste G M T w ord en geteken d, die voor elk volgend uur 15° o v er de zone m oet w orden versch oven . ^V e hebben hier een heel ruw e b e ­ n aderin g, die ech ter nog snel en gem akk elijk te h an teren is. M en zou kunnen p ro b eren h et a a n ta l zones te v ergro ten , m a a r het geb ru ik w o rd t d an o m slach tiger. Bij 12 zones bijv. zou men al b e te r de hele zone indeling kunnen late n v aren en 12 co n to u r­ k a a rte n v o o r v a ste G M T m et 2 uur tu ssen ru im te v o o r d irecte aflezing gebruiken . In tu sse n w o rd t bij v erg ro tin g van het a a n ­ ta l zones de n au w k eu righ eid alleen zolan g o v ereen k om stig gro ter, a ls er nog in elke zone een voldoen d a a n ta l io n o sfe e rsta tio n s liggen om de nodige gegev en s te v erstrek k e n . H e t a a n ta l s t a ­ tion s is niet alleen klein, m a a r de verd elin g o v er de a a r d e is bovendien om overigen s b egrijp elijk e reden ondoelm atig. D it is w el de v o o rn aam ste re c h tv aa rd ig in g v an het v asth o u den aa n h et u ite r a a r d ruw e 3 zone sy steem . D e k a a rte n van de w aargen o m en to e sta n d in een b e p a a ld e m aan d kunnen p a s a c h te r a f n a het verzam elen en v erw erk en van de gem eten w a a rd e n w ord en g em aak t. D e freq u en ties, die vo or een b e p a a ld e rad io v erb in d in g zullen w ord en geb ru ik t, m oeten a l van te voren w ord en v a stg e ste ld . M en v e rla n g t d aaro m de k a a rte n een o f m eer m aan den (v o o r som m ige sch eep sd ien sten zelfs m eer d an een ja a r ) van te voren. D eze k a a r te n m oeten dus v o o rsp e ld w orden . V o o r een geheel b ev red igen d e v o o rsp e l­ ling zou men de vorm ing en het g e d ra g v an de geio n iseerd e lagen volkom en m oeten b egrijpen . Z o v e r is het nog niet, w e

124

H. }. Groenewold

kunnen er eigenlijk nog m inder v an begrijp en d an voorsp ellen . 3.

Vorming van de tagen.

D e vorm ing v an een la a g d o o r io n isatie d o o r u ltra v io le t zon­ licht w o rd t q u a lita tie f a ls v o lg t v e r k la a r d . W e besch ouw en een b e p a a ld e so o rt m oleculen, w a a r v a n het a a n ta l p er cm 3 N n a a r boven expon en tieel afn eem t volgen s de b aro m etrisch e hoogteform ule h N = N 0e H .

( 11)

W e v ero n d e rste llen d a t de m oleculen kunnen w o rd en geionise e rd d o o r u ltra v io le t licht in een b e p a a ld sp e c tra a lg e b ie d . A ls de stra lin g sin te n site it in d it geb ied I is, is het a a n ta l p e r cm 3 en p e r sec gevorm de electron en q — q0 N I .

( 12)

D oor de io n isatie w o rd t een deel van de stra lin g v erb ru ik t. A ls de stra lin g on der een hoek Z m et de v erticale richting in v alt, neem t / n a a r beneden a f volgen s d l

xq

x q 0N I

dh

cos Z

cos Z

(13)

H ie ru it v o lgt x Ço H COS

/ — /o o ^

X

N

(M )

w a a rin V de in ten siteit buiten de a tm o sfe e r v o o rste lt. N neem t v an boven af, / neem t van boven toe, het p ro d u ct ( 12) h eeft een maxim um qm op een hoogte hvl> w a a r v o o r hm

cos Z

H

'm

xq0N 0H

(e m et oneigenlijke n a t log), z o d a t

expon en t is

Jl —Jlm

q

=

q VI

x H

ste e d s

1 ---------------

H

/oo C O S

Z -1

—e

(15)

het g ro n d ta l van de

h —hm e

H

(16)

W a n n e e r de gevorm de electron en w eer verdw ijn en d o o r recom b in atie m et de gevorm de p o sitiev e ionen, d an zijn er van beide

Ionosfeer en radioverbindingen evenveel, nl.

125

N e p e r cm 3, en hun a a n ta l v e ra n d e rt volgen s dN e dt

w a a rin a de recom binatiecoëfficient v o o rste lt. Bij evenw icht is d Ne ----- = o dt

y

en vo lgen s (5 ) I 4/ / ^ C O S 7

~Ö 7h

(19)

D e afh an k elijk h eid van 7 kom t w el on geveer overeen m et w a t v o o r de D , E en F x la a g experim en teel w o rd t gevonden. O o k de afh an k elijk h eid van w an n eer w e deze grooth eid gem iddeld on geveer even red ig stellen m et het gem iddelde zonnevlekken­ g e ta l m et versch oven nulpunt (A + S ). E igen lijk is het zonne­ v lek k en g etal geen erg goede m a a t v o o r de zon n eactiviteit, m a ar het is v o o r ons d oel de m eest b ru ik b are , o m d at het de b e st v o o rsp e lb a re is. M issch ien zal n a een lan ge re e k s ja r e n v an io n o sfeerw aarn em in gen ju ist de io n isatie van de lagen een b ru ik ­ b a a r d e r m a a t v o o r de zo n n eactiv iteit opleveren . H e t g e d ra g van de F 2 la a g w o rd t d o o r (19) in het geheel niet besch reven . N u b e ru st (19) ook op een ste r k vereen voud igd m odel. D e d ich th eid sv erd elin g ( 11) z al d o o r tem p eratu u rv erlo o p , d isso c ia tie p ro c e sse n e.d. ste rk gew ijzigd w orden . B e h a lv e recom b in atie (die in de F 2 la a g heel lan gzaam is) zijn er nog alle rle i an d ere p ro ce sse n w a a rb ij electron en verdw ijnen. Z e kunnen b ijv o o rb eeld d o o r n eu trale m oleculen w ord en ingevangen. D a a r ­ d o o r z al N e v o o ra l op klein ere hoogte klein er w orden , z o d at hel m axim um v an N e om hoog sch u ift en boven d a t v an q kom t te liggen. D o o r a l d ergelijk e p ro c e sse n zal (17) veel in gew ik ­ k eld er w orden . B oven d ien is het niet zek er o f de F 2 io n isatie geheel d o o r u ltra v io le t licht o f ged eeltelijk ook d o o r besch ieting m et gelad en d e e ltje s w o rd t v e ro o rz a a k t. D a a r b ij kom t nog d a t in tegen stellin g to t de lag e re lagen de F 2 la a g een gecom pli­ ceerd e h orizon tale v erd elin g v ertoon t, die v o o r een d eel d o o r

126

H. J. Groenewold

het m agnetisch e veld v an de a a r d e schijnt te w ord en beinvloed. E en enigszins b ev red igen d e theorie van de F 2 la a g is nog niet gegeven. H e t o p tred en v an versch illen de lagen z a l sam enhangen m et het voorkom en van versch illen de so o rten m oleculen in de a tm o s­ feer, die d o o r v ersch illen d e sp e c tra a lg e b ie d e n w orden geion iseerd (en g e d isso cieerd ). D e kennis v an de sam en stellin g van de h ogere a tm o sfe e r (m olecu laire en ato m aire z u u rsto f en stik s to f en an d ere verbin din gen o f elem enten) en van zijn bew egin gen , v an de io n isatie p ro ce sse n (sp e c tra a lg e b ie d , in elastisch e botsin gen , enz.) en van allerlei so o rten recom b in atiev ersch ijn selen is nog vele te gerin g om to t een definitieve theorie te kom en. V a n de E s io n isatie is gebleken , d a t hij op gem atigd e g e o ­ grafisch e b reed te voorn am elijk v e r o o r z a a k t w o rd t d oo r m eteo ­ re n sto f, binnen de p o o llich tgo rd el m eer d o o r gelad en d e e ltje s, terw ijl hij in e q u a to ria le stre k e n nog w e e r een an d e r k a r a k t e r v erto on t. 4. Voor*)peiling en. D e v o o rsp ellin gen van de to e sta n d van de n orm ale io n o sfeer w ord en m aan d elijk s v e r str e k t o.a. d o o r h et N a t . B u r. o f S ta n d a r d s te W a sh in g to n D .C . en d o o r h et N a t . P h y s. L a b . te T ed d in gto n (G .B .) 3 m aan d en v an te v oren in de vorm v an co n to u rk aarte n v o o r co n stan te G M T v o o r de 3 zones. Z e zijn g e b a se e r d op vo orsp ellin gen v an het zo n n ev lek k en getal. H e t v e rb an d tu sse n io n isatie en zo n n ev lek k en getal g e ld t alleen v o o r de gem iddelden en is d an nog n iet eens eenduidig. H e t is b ij­ v o o rb eeld in het stijgen d e d eel v an de p erio d e a n d e rs d an in het dalen de. D e D , E en F z la a g g e d ra g e n zich v e rd e r vrij reg e lm atig en het b e la n g rijk ste v erlo o p o v er de a a r d e k an al uit een b etre k k e lijk klein a a n ta l sta tio n s w o rd en afg e le id . A n d e rs is h et m et de F 2, die gew oon lijk ju ist b e slisse n d is v o o r de M U F b ep alin g. D e v o o rsp ellin g gesch ied t hier g ed eeltelijk d o o r e x t r a ­ p o latie en g la d strijk e n van het d ag e lijk s, ja a r lijk s en 11-ja a rlijk s v erlo o p en de h o rizo n tale v erd elin g o v er de a a r d e . D it m oet d an w ord en aan g ev u ld d eels d o o r e rv a rin g sre g e ls, d eels d o o r een zij het g e b re k k ig inzicht in het m echanism e van de la a g . V o o r de E s la a g k an alleen de k an s w ord en v o o rsp e ld w aarm e e b e p a a ld e freq u en ties zullen w ord en gereflecteerd . 5.

Frequentie keuze op een radio traject.

In de verb in d in g tu sse n zen der en o n tv an g er vorm t de io n o s­ fe e r een sch ak el, die w e rk t a ls een in de loop v an de d a g

Ionosfeer en radioverbindingen

127

v ariëren d ban dfilter. D e d o o rg elate n freq u en tieb an d w o rd t aan de b o v en k an t vrij sch erp b e g re n sd d o o r de sk ip, aan de o n d er­ k an t enigszins v a a g d o o r de a b so rp tie . H e t is een gelukkige om stan digh eid d a t er in de re g e l w el een opening overb lijft. A lleen op ongunstige tra je c te n zit het filter geduren de een deel van de d a g geheel dicht. D e d o o rg elate n b an d b re e d te is ech ter in h et algem een toch w el zo sm al, d a t men zo rgv u ld ig m et de b esch ik b are freq u en ties m oet m anouvreren om er binnen te blijven. V o o rsp ellin g en van de b an d gren zen zouden w a a rd e lo o s zijn a ls de on nauw keurigh eid v o o r beide grenzen g ro te r zou zijn dan de b a n d b re e d te . A fgezien van sto rin g sto e stan d e n , die afz o n d e r­ lijk v o o rsp e ld m oeten en ged eeltelijk ook kunnen w orden , k an men v o o r de b oven gren s in het algem een een b ru ik b a re n au w ­ keurigheid bereiken . D e on d ergren s is niet alleen m inder sch erp gedefinieerd, m a a r ook m inder n au w k eu rig te v o o rsp ellen . M en k ie st d aaro m zijn freq u en tie lie fst hoog binnen de b an d . Bovenarend: O W F. V o o r een gegeven tr a je c t b e p a a lt men m et d a a r v o o r gesch ik t g em aak te k a a rte n de gro te cirk el d o o r zen d ­ en o n tv an g statio n . D e g ro o tste a fsta n d , die d o o r één reflectie kan w ord en o v erb ru g d , is on geveer 4000 km v o o r de F la a g en on gev eer 2000 km v o o r de E la a g . W o r d t het tr a je c t m et één reflectie genom en, dan lig t het reflectiepu n t op het m idden. V o o r d it punt w o rd t de M U F v o or versch illen de uren v an de d a g uit de v o o rsp e llin g sk a a rte n afgelezen . O m d a t v o o r F 2 de M U F een stro o iin g om het m aan d gem id d eld e h eeft van ongevn er 15 °/(„ neem t men a ls O W F (optim um w ork in g freq u en cy ) vo or F 2 reflecties 8 5 °/0 van de M U F . V o o r E en F x is de stro o i­ ing zoveel kleiner, d a t men de O W F gelijk ste lt a a n de M U F . V o o r de E la a g is de f ° k lein er d an v o o r de F 2 la a g . M a a r ook de h m is klein er en d a a r d o o r de M U F fa c to r M g ro ter. D it m a a k t d a t n a de 1 5 % a ftr e k v o o r de F 2 M U F de O W F v o o r E reflectie som s g ro te r w o rd t dan v o o r F 2 reflectie. D e O W F v o or F ï reflectie kom t in de reg e l niet boven de an d eren uit en k an bovendien tegelijk m et die v o o r E reflectie in re k e ­ ning w ord en geb rach t. A ls uiteindelijke O W F neem t men ten ­ slo tte de g ro o tste . V o o r tra je c te n m et m eervoudige reflecties zou het v o o r de hand liggen alle reflectiepunten op te zoeken en op de zo ju ist genoem de m anier te beh andelen. V a n de O W F 's in de v e r ­ schillende punten zou men te n slo tte de la a g s te m oeten kiezen. In de p ra k tijk v ereen v o u d igt men de reg e ls van d it „h e m e lb ilja rd ” d o o r alleen reflectie te besch ou w en in tw ee sleu telp u n ten , die

128

H. J. Groenewold

op een h alve m axim ale sp ro n g a fsta n d (2000 km voor F reflectie, 1000 km v o or E reflectie) v a n a f de zen der en o n tv an ger liggen. B eh alv e een vou d iger w e rk t d a t b eter. A ls er tu ssen de beide sleu telp u n ten z w ak k ere reflectiepun ten liggen, dan w eet de ra d io g o lf die b lijk b a a r op de een o f an d ere m anier te omzeilen. A lleen m et zeer g ro te tu ssen geb ied en m et onvoldoende reflectie (bijv. n ach tgeb ied en ) m oet men nog w el reken in g houden, m a ar die ziet men ook niet licht o v er het hoofd. Ondergrens: L U H F . D e L U H F (lo w e st u sa b le high freq u en c3r; ook w el A L F , a b so rp tio n lim iting freq u en cy ) is de freq u en tie beneden w elke de verhouding v an sig n a a l to t ru is on der het to e la a tb a r e minimum kom t. D e z e to e la a tb a r e verhouding h an gt a f van de a a r d v an de sign alen en de b etreffen d e d ie n st (van h an d telegrafie to t rad io o m ro ep ). D e ru is h an gt v o o rzo v er hij v an atm o sferisch e o o rsp ro n g is (afgezien van p la a tse lijk e on­ w eersb u ien ) a f van p la a ts en tijd en van de frequ en tie. H o e w e l er k a a rte n van b e sta a n , is er van de v erd elin g nog m a a r w einig beken d. P a s in de la a t s t e tijd w o rd en er in enkele o v er de a a r d e v e rsp re id d e sta tio n s reg e lm atig m etingen verrich t. D e ste rk te van het aan kom en de sig n a a l h an gt a f van de u itg e str a a ld e energie van de zendantenne en zijn rich tin gsv erd elin g, de v e r ­ zw akk in g, die het sig n a a l zonder a b so r p tie a l zou o n d erg aan d o o r de geom etrisch e u itbreidin g, de v erzw ak k in g bij de reflec­ ties tegen de gron d en de a b so r p tie in de io n o sfeer. V e r d e r hangen de ste rk te v an on tvan gen sig n a a l en ru is a f van de rich tin gsgevoeligh eid van de on tvan gan ten n e en d a a r d o o r van de richting w a a r u it zij komen. D e q u a lite it van de verb in d in g tu sse n tw ee p la a tse n k an d a a r d o o r in tw ee richtingen heel v e r­ schillend zijn. D e m eeste van de genoem de fa c to re n zijn slech ts on volledig beken d. V a n alle is de a b so rp tie het m eest o n d er­ hevig aa n v a r ia tie s in de loop v an de d ag . V e r d e r is ook de a b so rp tie het s te r k s t a fh a n k e lijk van de freq u en tie. H e t is v o o r­ a l de toenem ende a b so rp tie w a a r d o o r bij ain em en de frequ en tie het sig n a a l in ste rk te afn eem t en te n slo tte in de ru is v erd rin k t. D o o r d a t de a b so rp tie g ro ten d eels in de D la a g gesch ied t, v o lgt hij voorn am elijk het g e d ra g van deze la a g . 's N a c h ts is hij klein, o v e rd a g b elan g rijk m et een m axim um m idden op de d ag . G e ­ regeld e ab so rp tiem etin gen w ord en nog slech ts op enkele p la a tse n v errich t. In het algem een zijn de gegev en s o v er de D la a g nog p o v er. V o o r zo v er de L U H F in de p ra c tijk v an te voren w o rd t b e p a a ld , g e b e u rt d it v olgen s uiteenlopen de m ethoden, die alle

Ionosfeer en radioverbindingen

129

in principe on bevredigen d zijn. D e vorm van het d ag elijk s v e r­ loop is h et ge m ak k elijk st te b ep alen en kom t d an ook vrij b e ­ hoorlijk v o o r den d ag . D e a b so lu te w a a r d e is veel m oeilijker te bereken en . H ij k an ech ter v o or een gegeven verbin din g ook exp erim en teel w orden v a stg e le g d . F ig. 11 g e e ft een v o o rb eeld van een v o o ru it b e p a a ld e b an d van d o o rg e la te freq u en ties,

Doorlaatbare bandbreedte voorspeld op een radiotraject*)

w a a rin de v o or de d ien st b esch ik b are freq u en ties zijn ingevuld. H e t is duidelijk d a t w e hier een u ite rst ru w sch em atisch b eeld v an de io n o sfeer en van de g o lfv o o rtp lan tin g hebben b e ­ sch ouw d. Z e lfs bij een veel v o lled ig er b eeld blijven, afgezien nog van de storin gen, die een a p a r t o n d erw erp vorm en, altijd tallo ze afw ijk in gen in de d ag elijk se p rak tijk , die eigenlijk het b e ­ grip „n orm ale io n o sfeer” niet kent. *)

*)

N aar K. W . Tremellen and J. W . Cox, J. I. E. E. 9 4 , 485, 1947.

Discussie Ir A. H. d e V o o g t : Is het gebied nabij n —± oo voor lichttrillingen nabij een resonantiefrequentie het gebied van anomale dispersie? D r G r o e n e w o l d : Men spreekt van normale dispersie aan de langgolvige kant van een resonantielijn, w aar de brekingsindex groter is dan ver van de lijn en van anomale dispersie aan de kortgolvige kant, w aar hij kleiner is dan verder weg. Daarbij moet men nog bedenken, dat onder invloed van de absorptie de lijn een eindige breedte krijgt en dat in dit gebied de sprong van + 0 0 naar — 00 wordt afgevlakt tot een geleidelijk verloop van een eindig maximum naar een eindig minimum. In het optische gebied liggen de invloedrijke resonantielijnen gewoonlijk in het ultraviolet, zodat men daar meestal normale dispersie heeft. Voor radiogolven in de ionosfeer speelt behoudens complicaties door de magnetische dubbelbreking de nulfrequentie van de vrije electronen de rol van resonantiefrequentie. Men is daar gewoonlijk in het gebied van anomale dispersie met n<^ 1. d. V. : In de algemene formule voor 11 komt steeds voor de ontbondene van het aardveld, transversaal en longitudinaal. Heeft men op het moment van terugkaatsing slechts te maken met het aardveld zelve en volgt dit uit de oplossing van de vergelijkingen ? G. : Neemt men als criterium voor de hoogte van terugkaatsing n —0 en lost men de daaruit voortkomende vergelijking voor Ne op, dan blijven de longitudinale en transversale componenten L en T van het aardveld H tenslotte alleen in de vorm Z.2+ 7 “ , d.i. / / 2 over. De richtingsafhankelijkheid valt zo op een weinig doorzichtige manier w eg.*) Ir B. v a n D ij 1: Is bij de multipele reflecties, zoals deze bij langeafstandsverbindingen voorkomen, de toestand van de aarde van geen belang ? G. : Aan dit punt is tot nu toe weinig aandacht besteed. Op moeilijkheden is gewezen door von Schmidt. Deze kwam door onder­ zoekingen over explosiegolven in aardlagen tot zijn zgn. Kopfwellen theorie, die hij door fraaie Schlierenopnamen in vloeistof- en gaslagen experimenteel bevestigde. Een bevredigende theoretische fundering is tot nu toe op wiskundige moeilijkheden gestrand. Volgens von Schmidt zou de Kopfwellen theorie ook van toepassing zijn op radiovoortplanting in de ionosfeer.*) *)

(Noot bij het verslag). H et wegvallen wordt doorzichtiger als men de afleiding van de uitdrukking voor 11 nagaat en reeds daarin de voor­ w aarde 71= 0 oplegt. De ontbinding van / / in L en T hangt alleen a f van de hoek, die H maakt met de voortplantingsrichting van de golf. Stellen we in (2) voor een verticale golf (a = 0)7 i= 0 , dan blijft cp= (p0e'2Jl^ t . De ruimtelijke periodiciteit is nu weggevallen en dit maakt dat de voort­ plantingsrichting geen rol meer kan spelen.

Hoewel de opvattingen van von Schmidt onaanvaardbaar zijn, geven zij aanleiding tot allerlei problemen. Onder de argumenten, die hij aanvoert tegen de meervoudige reflecties, hebben enkele betrekking op de reflecties tegen de aarde. Hij meent, dat er bij meervoudige reflecties een veel groter verschil zou moeten zijn tussen routes overland en overzee en dat in verschillende gevallen de stralengang door hoge gebergten geheel onder­ schept zou moeten worden. Verder beroept hij zich op de snel afnemende intensiteit van meervoudige reflecties bij verticale peilingen, waarbij hij echter voor lange-afstandsverbindingen het aantal sprongen abnormaal hoog veronderstelt. Men moet intussen bedenken, dat in de meervoudige-sprongtheone de stralen, die onder opstraalhoek 0 vertrekken, bij volgende sprongen steeds weer rakelings langs de aarde gaan. W aarbij men ook niet mag vergeten, dat het model niet al te letterlijk moet worden opgevat. v. D. : Het lijkt mij toch niet wel mogelijk het bestaan van meer­ voudige reflecties te ontkennen. W anneer men zeer korte impulsen uitzendt, ontvangt men op grote afstanden groepjes impulsen, waarbij elk groepje correspondeert met een uitgezonden impuls. Uit de tijdsafstand van de impulsen van elke groep kan men de hoogte van de terugkaatsende laag en het aantal „hops berekenen. G. : D at is van veel belang. Mij waren alleen de metingen van Hess, een leerling van von Schmidt, bekend, die geheel andere resultaten gaven. Hij verrichtte tijdmetingen aan korte signalen, die in de ene of andere richting verschillende malen om de aarde waren gegaan, waarbij hij op een zeer grote nauwkeurigheid zegt te kunnen bogen. Hij vindt, dat de omloopstijd om de aarde onder alle omstandigheden dezelfde is en dat het signaal na meerdere omlopen niet vager, maar zelfs scherper wordt. Ook zonder zijn onaanvaardbare interpretatie ten gunste van de Kopfwellen theorie lijkt het moeilijk deze resultaten, indien de metingen betrouwbaar zijn, in overeenstemming te brengen met de gangbare op­ vattingen over de ionosfeer.

Octrooien Openbaar gemaakt 15 Mei 1948.

O.A. 103688, kl. 21a *481)1. N.V. Philips, schakeling voor het compenseren van het antenne-effect bij gerichte antennes, waarbij de faze van het compensatie-signaal ingesteld wordt met behulp van de voorspanning aan het tweede stuurrooster van een meerroosterbuis. Hier­ door kan de compensatie op afstand worden ingesteld. O.A. 104582, kl. 95a2a. N.V. Philips. Inrichting voor het opwekken van hoog­ frequente trillingen, in het bijzonder voor medische doeleinden, bevattende een balansschakeling van buizen, welke met wissel­ stroom op de anoden gevoed worden en waarbij telkens van de buis, waarvoor de anodespanning gedurende een halve periode negatief is, de roosterstroom gedurende die halve periode onder­ drukt wordt. O.A. 98677, kl. 95a4bl. N.V. Philips. Schakeling voor het in frequentie ver­ dubbelen, met een zodanig gedimensioneerde brugschakeling, dat de spanning met dubbele frequentie niet terugwerkt op de keten van de te verdubbelen frequentie. O.A. 95692, kl. 95a5. Radio Corporation. Buisgeneratorschakeling met roostercondensator en lekweerstand met een hulpbuis, die veranderingen van de ingangsbuiscapaciteit bij wisselende anodevoedingsspanning, compenseert. Openbaar gemaakt 15 Juni 1948.

O.A. 104897, kl. 21 a 171b. N.V. Philips. Buisvoltmeter met inrichting om be­ schadiging van de kathode van de buis bij het meten van hoge wisselspanningen te voorkomen. O.A. 93492, kl. 95c2. Bell Telephone. Ontvanger voor F.M. met middelen om de invloed van stoorgeruis te verminderen. O.A. 103070. kl. 95a2b6. Radio Corporation. Kathodestraalbuis voor frequentievermenigvuldiging met uitgangselectroden, die de rand vormen van een spleet in een trilholte. O.A. 90893, kl. 95b25b2. Marconi. Telegrafiezender met een in ballast werkende buis, waarbij een hulpbuis van gering vermogen gebruikt wordt ter besturing. O.A. 17Weert kl. 95g3. N.V. Philips. Schakeling voor het overdragen van ultrahoogfrequente trillingen met een Lechersysteem als impedantietransformator.

O.A. 105339, kl. 95h2b. N.V. Philips. Electrische trilholte met maatregelen om een temperatuuronafhankelijke eigen-frequentie te bereiken. O.A. 117393, kl. 21a473a. Comp. Générale de T.S.F. Werkwijze voor het ver­ vaardigen van een filter in een diëlectrische geleider. He.

Boekbespreking Radiotechnische vraagstukken, bestemd voor hen, die zich voorbe­ reiden voor het examen Radiomonteur, Radiotechnicus en Radiotelegrafist, verzameld en samengesteld door Rens en Rens. Prijs ƒ 3.65. — AE. E. Kluwer, Deventer, 1948. De vraagstukken van de schriftelijke radio-examens van de laatste 20 jaar zijn in deze verzameling, voor zover doenlijk systematisch gerangschikt, bijeen gebracht. De samenstellers hebben hiermee aan hen, die voor een radio-examen studeren, een grote dienst bewezen. Wanneer alle examencandidaten op deze vraagstukken hun krachten zouden beproeven en zich niet aan het examen zouden onderwerpen, voor zij deze goed konden oplossen, zou het resultaat der schriftelijke examens niet zo bedroevend zijn als gewoonlijk het geval is. Daarom: aan alle candidaten en opleiders ten zeerste aanbevolen. W. J. Corver. Het Superheterodyne boek. 2e druk, 227 bladz. 122 fig. Uitgeverij Paul Brand, Bussum 1948. Prijs geb. ƒ 5.25. In dit boek worden verschillende delen van het moderne superheterodyne omroep-ontvangtoestel behandeld, zoals de frequentie transformatie, middenfrequent versterking, diode-detectie en de verdere perfectioneringen hiervan: éénknopsafstemming, automatische sterkteregeling, afstemindicatie, regelbare bandbreedte, drukknopafstemming enz. Een aantal volledige bouwschema’s van superheterodyne toestellen van ver­ schillende typen, van een eenvoudige tweelamps super af tot de meer ingewik­ kelde H.R.O. ontvanger, wordt uitvoerig besproken. In de laatste hoofdstukken gaat de schrijver nog wat dieper in op enkele van de reeds genoemde onder­ delen. Het boek is geschreven voor die radioamateurs, welke reeds met de hoofd­ zaken van de radiotechniek op de hoogte zijn. Een wiskundige behandeling is vrijwel geheel vermeden. W aar nodig heeft de schrijver met enkele eenvoudige formules en voorbeelden zijn onderwerp nader toegelicht. Een monogram voor het berekenen van oscillator kringen is in de tekst opgenomen. Het is jammer dat de schema’s niet meer uniform zijn gehouden. In ieder schema treft men weer andere symbolen aan voor lampen, weerstanden, spoelen enz. Op pag. 39 staat dat additieve menging in tegenstelling tot multiplicatieve men­ ging op gelijkrichting berust. Dit lijkt ons minder juist uitgedrukt. In beide ge­ vallen berust de menging op de niet lineariteit van de menglamp. De uitvoering van het boek is behoorlijk. M.

Ontvangen tijdschriften enz* Journal of the Franklin Institute, April, Mei, Juni, Juli 1948. Wireless Engineer, Juni, Juli 1948. Proceedings Cambridge Phil. Society, 44 Part 3. Juli 1948. Bulletin U.R.S.I. Mei 1948. Ericsson Review, Nr 1, 1948. Electrical Communication. 25, Nr 1, Maart 1948. Transactions of Chalmers University of Technology, Gothenburg, Sweden. Afd. Electrotechniek. Nr. 67 The experimental Development of traveling-wave Tubes, by J. Sigvard A. Tomner. Nr. 68 Puiser and Water load for high Power Magnetrons by S. Ingvar Svensson. Nr. 70 On the radiation of Sound into a circular Tube, by Uno Ingard. Nr. 71 Study of impressive Wave formation in the Atmosphere, by Dietrich Stranz. Nr. 72 Ozonradiosonde, by Dietrich Stranz. P.T.T.-bedrijf. Jg 1, Nr 4. Radio Revue, Juli-Augustus 1948. De Ingenieur, Jrg. 60, Nrs 20-31. Radio Exprès, Jrg. 25, Nrs 9-13.