Radiogolven

In 1899, na verscheidene pogingen om een verbinding te maken met radiogolven, stichtte de Italiaanse fysicus Marconi, de “American Marconi Company” die later de “Radio Corporation of America” d.i. de fameuze RCA, zou worden.

Op 12 december 1901 werd Marconi beroemd nadat hij het bekende experiment uitvoerde, waarbij met radiogolven de bekende drie punten voor de letter “S” in morsetaal werden uitgezonden vanuit Poldhu in Cornwall (Engeland).

Het telegrafiesignaal stak de Atlantische Oceaan over en werd opgevangen in Saint-Jean in Newfoundland (U.S.A.).

Marconi ontving voor zijn onderzoek op gebied van de radiocommunicatie de Nobelprijs in 1909.

Het succes van Marconi bij zijn eerste transatlantische radioverbinding was onverwacht.

Men wist inderdaad dat radiogolven, zoals alle elektromagnetische golven, zich rechtlijnig voortplantten.

En bovendien, diffractieverschijnselen die het traject rond de aardbol hadden kunnen doen afbuigen waren verwaarloosbaar aangezien de kromming zelf van de Aarde een obstakel van veel grotere afmetingen betekende, in vergelijking met de golflengte.

Voor een transatlantische verbinding betekent de kromming van de Aarde een barrière met een hoogte van ongeveer 200 km.

Deze beschouwingen hebben Kennelly en Heaviside ertoe gebracht om te suggereren dat de radiogolven de kromming van de Aarde volgden door opeenvolgende reflecties door een elektrisch geleidende laag, op een hoogte van ongeveer 100 km.

Deze laag werd daarom de laag van Kennelly-Heaviside genoemd.

Die laag komt ongeveer overeen met de E-laag in de ionosfeer.

De radiogolven met een korte golflengte kunnen zich voortplanten van het ene naar het andere wereldhalfrond.

Ze worden door de ionosfeer telkens weer gereflecteerd.

Na de Eerste Wereldoorlog begonnen radioamateurs zwakke zenders te gebruiken (van 2 tot 50 Watt) die uitzonden bij een frequentie boven de 5 MHz.

Bij dergelijke frequenties hebben de uitgezonden golven een korte golflengte van enkele tientallen meters maar kleiner dan 50 m.

Deze golven werden destijds als ongeschikt beschouwd voor verbindingen over grote afstanden.

Toch bereikten deze radioamateurs verrassende resultaten, aangezien ze konden communiceren van het ene naar het andere wereldhalfrond.

Appleton en Barnett in Engeland en Breit en Tuve in de Verenigde Staten voerden in 1924 proefnemingen met radiocommunicatie uit, waarbij de zender en de ontvanger zich telkens op een andere afstand bevonden.

Deze experimenten vormden de basis voor de exploratie van de ionosfeer.

Men heeft sedertdien ontdekt dat de elektronendichtheid in de ionosfeer en de verdeling ervan over de verschillende hoogten, de grootte van de verzwakking en de hoogte waarop de radiogolven gereflecteerd worden, bepalen.

Golven met een verschillende frequentie worden op een verschillende hoogte gereflecteerd en ze worden in mindere of meerdere mate verzwakt bij het doorkruisen van de ionosfeer.

De voortplanting van radiogolven in de ionosfeer.

De golven uitgezonden door een radiozender kunnen een verre ontvanger op twee manieren bereiken. Ten eerste kan er een propagatie gebeuren via een grondgolf (ground wave) die de kortste weg aan het aardoppervlak tussen de zender en de ontvanger volgt.

En ten tweede is er de hemelgolf (sky wave) die omhoog gaat en gereflecteerd wordt door de ionosfeer alvorens de ontvanger te bereiken.

De eerste experimenten van Appleton en Barnett toonden aan dat, wanneer men de emissiefrequentie langzaam verandert, men interferentieminima en -maxima waarneemt tussen de grondgolf en de hemelgolf die door de E-laag wordt gereflecteerd.

De afstand tussen de zender en de ontvanger was 140 km en daaruit besloten ze dat de interferentiemaxima slechts konden ontstaan wanneer de reflectie van de hemelgolf zich voordeed op een hoogte van ongeveer 100 km.

De D-laag heeft de kleinste concentratie aan vrije elektronen (ongeveer 10² tot 104 per cm³), in tegenstelling tot de F2-laag die een maximale concentratie (van de orde van 106 per cm³) heeft.

De golven met een lage frequentie (30 tot 300 kHz) worden dus gereflecteerd door de D-laag waar de elektronenconcentratie laag is, en de golven met een hoge frequentie (3 to 30 MHz) worden gereflecteerd door de F-laag waar de elektronenconcentratie het grootst is.

Tussen deze twee uitersten, is er de band van de middengolven (300 kHz tot 3 MHz) gereflecteerd door de E-laag.

De classificatie van de drie vermelde golflengtegebieden werd bepaald door het gebruik.

Nochtans, is de reflectie van de drie categorieën van radio-elektrische golven door de D-, E- en F-lagen in de ionosfeer (met toenemende frequentie) slechts een indicatie.

De hoogte waarop de golven gereflecteerd worden is inderdaad sterk afhankelijk van de ionosferische omstandigheden die zeer variabel kunnen zijn.

Het verzwakken van radio golven in de ionosfeer is een belangrijk fenomeen.

Om dit verschijnsel te begrijpen moet men de bewegingen bekijken die de ionosferische elektronen uitvoeren in het elektrisch veld van een radio golf.

Onder invloed van dit veld gaan de elektronen vibreren, waarbij ze een gedeelte van de energie van de golf opnemen.

Een dergelijk oscillerend elektron speelt dan de rol van een klein radiorelais dat uitzendt op dezelfde golflengte als de oorspronkelijke golf, en daarbij komt de opgenomen energie weer vrij.

Wanneer die oscillerende elektronen botsen met atmosferische moleculen, wordt hun oscillatiebeweging afgeremd.

Een gedeelte van de bewegingsenergie wordt daardoor omgezet in thermische energie en gaat dus verloren voor de oorspronkelijke golf.
verzwgolf
De verzwakking van de golf is het grootst in de onderste laag van de ionosfeer waar het aantal botsingen groot is, in de D-laag beneden 100 km dus.

De verzwakking is natuurlijk ook groter naarmate de golffrequentie kleiner is.
hemelgolg
Voor radioverbindingen over grote afstanden zijn de frequenties gelegen in de 3 tot 30 MHz-band (korte golflengten) het interessantst, omdat de hemelgolf (sky wave) dan gereflecteerd wordt in de F1- of de F2-laag indien de ionosferische omstandigheden gunstig zijn.

Bovendien is de verzwakking tijdens periodes met een zwakke zonneactiviteit klein voor hoge frequenties.

En bovendien heeft de grondgolf bij deze frequenties slechts een kort bereik.

Er ontstaat een “stiltezone” tussen de zones waar uitgezonden wordt en waar ontvangen wordt.

Om een goede propagatie te hebben op om ’t even welk ogenblik, is het noodzakelijk om de meest geschikte frequentie voor een bepaald zendbereik te kiezen.

Deze frequentie moet zo berekend worden dat het golftraject de ontvanger niet voorbijschiet, maar juist bereikt na één of meerdere reflecties in de ionosfeer.

Indien de frequentie te hoog is, kan de golf door de F2-laag breken en verdwijnen in de ruimte.

Naast het kennen van de afstand tussen de zender en de ontvanger, is het dus ook nodig om een idee te hebben van de ionosferische condities in het gebied ertussen.

Een belangrijk kenmerk van de ionosfeer is echter de variabiliteit.

Deze variabiliteit beïnvloedt sterk de voortplanting van radiogolven.

Men kan bijvoorbeeld waarnemen dat de ontvangst van middengolven (300 kHz – 3 MHz) van een verre zender overdag niet mogelijk is, maar ’s nachts wel.

Inderdaad verdwijnt de ionisatie in de D-laag bijna volledig gedurende de nacht.

De verzwakking van de golven in de D-laag die overdag groter is naarmate de frequentie zwakker is (midden- en lange golven), speelt dus ’s nachts geen rol meer.

Overdag is de hemelgolf die gereflecteerd wordt door de E-laag dermate verzwakt dat slechts ontvangers dichtbij de zender de middengolven kunnen opvangen, dan via de grondgolf.

Een tweede voorbeeld heeft te maken met de activiteit van de Zon.

Gedurende een periode met een intense zonneactiviteit zijn bepaalde radioverbindingen zo erg verstoord dat er zelfs een volledige “black-out” in de communicatie optreedt.

In het geval van een zonne-uitbarsting is het de plotse toename van de elektronenconcentratie in de D-laag die een dermate grote verzwakking van de intensiteit van de radiogolven met een korte golflengte (10 tot 100 m) veroorzaakt, dat een ontvangst totaal onmogelijk wordt.

Lange golflengten daartegenover worden gereflecteerd op een lagere hoogte in de D-laag.