Rádióhullámok terjedése a kozmikus térségben

Az emberiség az utóbbi fél évszázadban jelentős lépéseket tett a világűr megismerése érdekében. Az erőfeszítéseket számos siker koronázta, és számtalan olyan technológiai eszköz jött létre, melyek működtetéséhez elengedhetetlenül fontos mind a Föld légkörének, mind a kozmikus térségnek pontos ismerete. Mind az űrtávközlés, mind a rádiócsillagászat szempontjából a légkör és a világűr rádióhullámokat hordozó közegnek minősül.

Átmenet a légkör és a világűr között

A Föld légköre és a kozmikus térség között pontos határvonal nem húzható, a légkör fokozatosan ritkul. Az elektromágneses hullámok terjedése szempontjából a fokozatosan ritkuló légkörnek is hatása van a Föld-Űr Űr-Föld tipusú összeköttetésekre.

A légkör hatása a terjedés nyomvonalára

A légkör ritkulásával fokozatosan csökken a légkör törésmutatója, ennek következtében ha a rádióhullámok nem a zenit felől érkeznek, illetve nem a zenit irányában történik a kisugárzása, akkor a sugárzás trajektóriája elgörbül. A légkör alsó részén a görbülés erősebb, mint a felső légkörben.

A Föld-Űr, Űr-Föld kommunikációban a legideálisabb, ha a zenit irányában történik. Ilyenkor a legrövidebb a Föld légkörében megtett szakasz, és a legkisebb a légkör általi csillapítás a sugár nyomvonala egyenes a sugárzás iránya pontosan az eszköz irányába mutat.

Minél inkább eltér a sugárzás iránya a zenittől, a nyomvonal annál inkább elgörbül. Ez az elgörbülés nem frekvenciafüggő, így az antenna beállítási iránya kiszámítható a törés törvényeit figyelembe véve a szokásos trigonometrikus képletekkel. A sugárzás iránya minél inkább közelebb esik a horizonthoz, annál hosszabb a rádióhullámok légkörben megtett útja, így annál inkább érvényesül a légkör csillapító hatása. A légkör csillapító hatása frekvenciafüggő.

A Föld légkörének átlátszósága

A Föld légköre nem minden frekvencián egyformán átlátszó. Ez a frekvenciafüggés nem lineáris, nem számítható ki, és időben is változó lehet. A légkör tulajdonságai behatárolják, hogy milyen frekvenciatartományt használjanak űrtávközlésre vagy rádiócsillagászatra.

Fontos tényező még az ionoszféra, amelynek átlátszóságát befolyásolja az űridőjárás.

fmin	fmax	Ionoszféra	Légkör
0	10 MHz	Ebben a frekvenciatartományban az ionoszféra nem átlátszó, a kozmikus tér irányában nem valósítható meg semmilyen összeköttetés.	A légkör teljesen átlátszó, nincs csillapítás
10 MHz	30 MHz	Ebben a frekvenciatartományban az ionoszféra átlátszósága napszak és évszakfüggő, valamint a napfoltok is jelentős hatással vannak az ionoszféra átlátszóságára.
30 MHz	50 MHz	Napfoltmentes időszakban az ionoszféra minden napszakban és évszakban átlátszó, viszont a napfoltos években ez az átlátszóság megszűnik.
50 MHz	100 MHz	Az ionoszféra átlátszó, csak extrém napkitörésekkor szűnik meg az ionoszféra átlátszósága.	A légköri inverziók enyhe csillapítást gyakorolhatnak.
100 MHz	1 GHz	Az ionoszféra mindig átlátszó.
1 GHz	5 GHz
5 GHz	30 GHz		Eső, köd, csillapítja az átvitelt, jelentős csillapítás csak extrém időjárási körülmények között.
30 GHz	100 GHz		A frekvencia növekedésével az időjárási jelenségek egyre inkább csillapítják az átvitelt.
100 GHz			A frekvencia növekedésével a tiszta légkör csillapító hatása is jelentősen növekszik. A csillapítás növekedése nem lineáris, vannak olyan frekvenciatartományok, ahol a légkör nem átlátszó, és vannak olyan frekvenciatartományok, amelyeken a terjedés csillapítatlan, ún. "átlátszó ablakok".

Meteorok

Meteorbecspódáskor a légkörben a becsapódás nyomvonalán ionizált gázok keletkeznek, amelyekről a rádióhullámok visszaverődnek. Ha a becsapódás nyomvonala és a Föld-Űr-Föld kommunikáció útvonala keresztezi egymást, akkor az elhalkulást, vagy kiesést okozhat néhány másodpercre, esetleg 1-2 percre.

Az űrben keringő mikrometeorok méretükből adódóan nem gyakorolnak hatást a rádiófrekvenciás összeköttetésekre.

A Föld körüli térség

Terjedés mágneses erővonalak mentén

A Van-Allen övezetben a Föld mágnesességének hatására ionizált, töltött részecskék áramlanak. A sugárzási öveken belül ezeknek a részecskéknek az eloszlása nem homogén, hanem a mágneses erővonalak mentén felgyülemlenek. Egy-egy erővonal a Föld északi féltekétől a déli féltekig terjed. Az alacsonyfrekvenciás rádióhullámok az erővonalak mentén felgyülemlett, koncentrált vonalak között, oda-vissza pattogva eljutnak a Föld egyik féltekétől a másik féltekéig.

Ezeknek a rádióhullámoknak mind az adása, mind a vétele csak a mágneses pólusok környékén valósíthatók meg. A távközlésben nincs jelentőségük, mivel csak néhány 10 kHz alatt figyelhető meg ez a jelenség, így nagyon kevés az átvihető információ, mindemellett a jelenség észlelése nagy méretű antennákat igényel mind az adó, mind a vevő oldalon.

Föld - Hold - Föld összeköttetések

Föld - Hold - Föld összeköttetésről akkor beszélünk, amikor a Földről a Hold irányába sugárzunk, és a Földön a Holdról visszavert jelet vesszük.

Föld - Hold, Hold - Föld összeköttetések

Föld - Hold összeköttetésről akkor beszélünk, amikor a Földről sugárzunk a Hold felé, amit Holdra vitt, vagy oda telepített eszköz vesz, illetve a Holdon lévő eszköz jeleit a Földön vesszük.

Az ilyen kapcsolat sokkal stabilabb, és erősebb, mint az EME, hiszen ilyenkor már a Holdon is a rendelkezésre áll egy megfelelő teljesítményű adóberendezés, illetve a hozzá tartozó, megfelelő méretű antenna.

Naprendszer

Mágneses erőterek a Naprendszerben

A Nap légkörének határvonala sem nem határolható be egy éles határvonallal, az átmenet itt is fokozatos. A Nap körüli kozmikus térség igen bonyolult felépítésű, ezt a térséget mágneses terek és plazmafolyamok töltik ki, amelyek a Nap ritka légkörét képezik. Ez a légkör legalább a Mars pályályáig terjed ki.

A Nap nyugalmi állapota esetén a bolygóközi mágneses erőtér erővonalai archimédeszi spirális alakúak, és a nagy energiájú részecskék ezeknek a spirálisoknak a mentén mozognak. Napkitörések esetén ezek a spirálok összezavarodnak. A mágneses tér és a plazmasűrűség inhomogén lesz.

Az ionizált, vagy nagyenergiájú részecskék egy adott határfrekvencia alatt befolyásolják a rádióhullámok terjedését, átlátszatlan, illetve visszaverő közeget képezhetnek. Ez a határfrekvencia néhány 10kHz körül van, az ionizált részecskék sűrűségétől függően. Ennek tanulmányozása a Földről nem valósítható meg, hiszen ez a határfrekvencia a földi ionoszféra áteresztőképességének határfrekvenciája alatt van. Ezt a határfrekvenciák nevezik kritikus frekvenciának, vagy plazmafrekvenciának.

$f_{pl}\approx {\sqrt {80.8N}}$

$\epsilon _{pl}\approx 1-80.8{\frac {N}{f^{2}}}$

$\sigma _{pl}\approx 2.82*10^{-8}{\frac {N}{\omega ^{2}}}$

A kozmikus térség átlátszósága a Naprendszerben, és a Föld körüli űrben is nagyságrendekkel jobb, mint a Föld légkörének átlátszósága.

Terjedés bolygók, holdak felszínén

Más bolygók, holdak felszínén más-más terjedési viszonyok uralkodnak, a különböző rádiófrekvenciás sávok felhasználása, beosztása eltér a Földön megszokottól. Egy bolygó vagy hold felszínén kiépítendő távközlési hálózatok tervezésénél teljesen más körülményeket kell feltételezni, mint a Földön.

• Rádióhorizont: Mivel a bolygók, holdak méretei eltérnek, így a rádióhorizont mérete is más lesz mint a Földön. Közvetlen hullámú rádiós összeköttetések tervezésekor ez kritikus szempont.
• Légköri hatások: Különböző bolygók légkörének fizikai, kémiai tulajdonságai eltérőek, így minden bolygó felszínén más légköri terjedések adódnak. Légkör hiánya esetén pedig nem kell légköri hatásokkal számolni, így horizonton túli összeköttetés légköri terjedés útján nem valósítható meg.
• A bolygók vagy holdak talaja más-más összetételű, így a felületi hullámterjedés vagy a talajreflexió is másként alakul, mint a Föld felszínén.

Kapcsolódó témájú szócikkek

• Űridőjárás
• Űrkutatás
• Rádiócsillagászat
• Műhold
• SETI