Mimořádné šíření TEP - objev roku [QST 1963]  Prehistorie TEP (2).

Krátký pohled zpět a poslední poznatky založené na sledování šíření VKV mezi Kyprem a Jižní Rhodesií

Jeden z nejlepších příkladů přínosů radioamatérského provozu pro poznání zákonitostí šíření radiových vln byl objev a prvotní využití TEP, neboli "přesrovníkového šíření" na VKV pásmech. Od roku 1947, když byly zpracovány první vědecké práce ve věci radiového šíření, jsme se začali cítit poměrně jistí ve věci popisu  podmínek ionosférického šíření. Radioamatéři si již předtím zažili vzrušení při svých cenných a překvapivých pozorováních, ale je ještě pravděpodobné, že by se podobné objevy mohly opakovat nyní, když jde o vědecky široce probádané pole poznání?  Například již od roku 1946 zde byly předpovědi ionosférického šíření dostupné pro každého, ukazující přibližnou hodnotu maximálně použitelného kmitočtu (MUF) pro DX komunikaci mezi kterýmikoliv dvěma body na povrchu Země, pro každou hodinu dne a na 3 měsíce dopředu.

Tyto předpovědi ukazovaly vedle dalších věcí také to, že ve špičce slunečního cyklu může MUF dosáhnout na několika severo-jižních trasách dokonce až téměř 50MHz, jak se ukázalo v říjnu a listopadu 1947. Takže ta záležitost předpovědí fungovala, i když v praxi se podmínky otvíraly spíše o něco dříve proti předpovědím a během dne se objevovaly odchylky oproti předpovědi. Na konci srpna XE1KE, zapálený radioamatér bez profesionálních zájmů o studium šíření, objevil, že může navazovat spojení s argentinskými stanicemi, především s LU6DO na 50MHz docela pravidelně. To bylo dobré dva měsíce před slunečním maximem a na těch spojeních bylo navíc zajímavé to, že se je dařilo navazovat v podvečer, kdy podle klasických předpovědí neměly být k takovým spojením žádné podmínky na takovou vzdálenost. V podobný čas W7ACS/KH6 z QTH poblíže Pearl Harboru na Havaji měl spojení s VK5KL z Darwin v Austrálii na neslýchanou vzdálenost přes 5000mil - a také v 17 hodin místního času namísto předpovídané špičky MUF okolo poledne.

Tato spojení mi jako autorovi VKV rubriky v QST¹ téměř vyrazila dech a zprávu jsem proto rozšířil všemi dostupnými informačními kanály, včetně do vědeckých agentur ve Washingtonu a jinde. Tato novinka rozčeřila nejprve stojaté vody poznání mimo radioamatérské kruhy. Lidé, kteří měli znalosti týkající se radiového šíření, měli vždy sklony "odepisovat" tohle VKV pásmo 50MHz. Ty DXy se jim jevily jako bizarní příhoda, která by se již neměla nikdy opakovat. Říkali: "velmi zajímavé, ale..." a slušně mne vypoklonkovali.

Naštěstí, tihle radioamatéři, kteří ta spojení dělali, nevěděli, že takové šíření bylo teoreticky nemožné a zkoušeli to dál. XE1KE byl posílen XE1GE a brzy již navazovali spojení do LU a s dalšími jihoamerickými amatéry hromadně. To se udrželo po celý podzim roku 1947 a vždy to chodilo během dne mnohem později, než jak bylo předpovězené maximum MUF. Čas od čas dokonce pásmo zůstávalo otevřené jednu noc za druhou. Signály byly často rozmazané ale většinou nikdy nebyly slabé a objevovaly se téměř s hodinovou přesností každý večer znovu a znovu. Co se to zatraceně v té ionosféře děje?

Pokládali jsme si tuhle otázku znovu a znovu, psali jsem o tom a důkazy přicházely s každým dalším číslem QST, jak během maxima slunečního cyklu r.1948, tak i několik dalších let. Postupně tyto reporty společně s publikacemi O. P. Ferrella², dlouholetého pozorovatele a komentátora radioamatérských VKV aktivit, konečně začaly mít požadovaný efekt. Vědecká pozornost se začala stále více zaměřovat na možné příčiny těchto nočních otevření pásma, ale nyní již bylo příliš pozdě pro frontální útok na tuto záhadu³. Bylo vytvořeno několik teorií, zejména Villardem, který se pokoušel vysvětlit toto šíření na základě ionosférických podmínek nad feomagnetickým rovníkem, jak je na několika řádcích uvedeno níže.

S tím, jak stoupala křivka dalšího slunečního maxima, stoupal i zájem o pásmo 50MHz. DX provoz na tomto pásmu udělal velký pokrok zejména během a na konci 50-tých let. To období bylo všeobecně zaměřené na 50MHz. Amatéři spoustu zemí dalekého východu, hlavně však Japonska, nyní byli na 50MHz velmi aktivní a velmi brzy se ukázalo, že právě oni pro 6m DX otevření vytvořili jednu z nejvíce obsazených oblastí na světě. Mnoho stanic bylo také na Havaji, v Austrálii a na Novém Zélandu a také akitvita v Jižní Americe se výrazně zvedla. Možná, že nejdůležitější pro to všechno byl rozsáhlý zájem v některých částech Afriky, přičemž tato oblast se ukázala jako téměř ideální z hlediska poznání chování přesrovníkového šíření TEP.

Zejména to byla Jižní Rhodesie, kde ZE2JY získal nezapomenutelné postavení díky jeho 50MHz majáku a denním vysílacím i přijímacím testům. A jestliže Jižní Rhodesie připadala všem jako neobvyklé místo pro VKV nadšence, co teprve ostrov Kypr, a to hlavně během politicky velmi složité atmosféře na konci 50 let? Ale  ZC4IP a ZC4WR se chopili této výzvy a především druhý z těchto dvou jmenovaných si prožil své během jednoho z nejvýznamějších programů radioamatérského pozorování a zkoumání které kdy bylo vedeno. Práce ZE2JV a ZC4WR je dobře zdokumentována v časopise QST⁴, a ten příběh tady nemusíme opakovat, ale  poslední shromážděné důkazy, uvedené níže, vzbuzují více, než běžný zájem. To, jak jsou Kypr a Salisbury v Jižní Rhodesii  vzájemně vůči sobě protilehlými a symetrickými body na severo-jižní spojnici kolmé k poněkud severně vyosenému magnetického rovníku, znamená, že pravděpodobně budou také dobře umístěné z pohledu míst pro pozorování VKV šíření TEP. Práce těchto dvou radioamatérů, založená na každodenním pozorování během několika po sobě jdoucích let, výhradně z vlastního soukromého zájmu a později do detailů popsané, přitáhla pozornost vědeckých ústavů a vyústila v to, že tito dva přátelé byli získáni pro vědecký výzkum jimi pozorovaného jevu. Jeden z výsledků tohoto vědeckého programu je dosud nedokončený, a to, že se ukázalo, že pravděpodobnost výskytu TEP na VKV může být mnohem méně závislé na slunečním cyklu než se dříve předpokládalo, resp. alespoň tak dalece, že to v nejvíce osídlených oblastech světa vyvolalo obavy o faktu takové závislosti

Fig. 1 - Přesrovníkové VKV šíření se ještě v roce 1962 drželo na vysoké úrovni, jak je vidět ze záznamů 5B4WR z března t.r. Pozorovaný průměrný MUF pro trasu mezi Salisbury v Jižní Rhodesii do Kyperské republiky pro celý měsíc ukazuje plná čára. Také je zde pro srovnání ukázán typický měsíc během let slunečního maxima.

Důkaz je zobrazen na obrázku 1. Čára s křížky ukazuje průběh hodinového průměru MUF během noci, jak byla sledována u ZE2JV během dubna 1958. To byl typický měsíc okolo rovnodennosti během nejvyšší části slunečního maxima. To ukazuje, že MUF běžné vrstvy F2 ve směru na sever od ZE2JV by mohl být poblíže 50MHz během denního světla, ale měl by spadnout dolů po západu Slunce. Potom ale v určitém období po západu Slunce by mohl opět vyrůst, a to až daleko nad denní hodnotu a často zůstal během celé noci dobře nad 50MHz. Jak to ZE2JV poznal? TV a ostatní komerční služby z jižní Evropy mu naplnily celý ladicí rozsah jeho v širokém rozsahu přeladitelného přijímače, který během noci ladil až do 75MHz.

Nyní věnujte na chvíli pozornost obrázku 2. To je histogram záznamu VKV příjmu, který prováděl ZC4WR s pomocí ZC4IP, od roku 1957 do r. 1961. Plná čára ukazuje procentuální vyjádření večerního příjmu majáku ZE2JV na 50.04MHz, doplněná do určité úrovně příjmem signálů ostatních radioamatérských stanic z Jižní Rhodesie a Jižní Afriky. Můžeme z toho vidět, že příjem na 50MHz byl docela stabilní v období rovnodennosti i během počátku 60 let. Tahle vytrvalost podmínek šíření na 50MHz během podzimu 1960 a jara 1961, dlouho potom, co běžný MUF F2 v celém rozsahu hluboko spadnul pod pásmo 50MHz, velice překvapivé.

Fig. 2 - Histogram ukazuje spolehlivost šíření na 50 během večerních hodin na trase mezi ZE2JV a ZC4WR, jak bylo zaznamenané ZC4WR. Poznámka: toto šíření je soustředěno zejména do období rovnodennosti.

A nyní překvapení! Vraťte se zpátky k obrázku 1. Během března 1962, ZC4WR, nyní pod značkou 5B4WR, dělal každodenní pozorování MUF tak, že pozoroval příjem až do 87MHz přeladitelného majáku, provozovaného ZE2JV jako součást vědeckou agenturou sponzorovaného projektu. Plná čára ukazuje hodnotu průměrného MUF během večerního období pozorovaného po dobu jednoho měsíce s hodnotou až do 70MHz krátce po západu Slunce, přičemž zaznamenal otevření pásma 50MHz po dobu téměř 5 hodin. Během nejlepších večerů MUF dosáhnul 87 MHz! To je znázorněno tečkovanou čárou.

Je zajímavé poznamenat, že předpovězený MUF pro tuto trasu, zobrazený jako čárkovaná čára, se pohyboval jen okolo 28MHz po dobu několika hodin, ale 5B4WR nám sdělil, že 10-ti metrové pásmo se ještě drželo otevřené během večera nejméně do června, kdy opustil Kypr a na delší čas se vrátil do Británie. Je jasné, že z Jižní Rhodesie mohla být v té době udělána spousta DX spojení, zejména během období po konci slunečního maxima, pokud by v té době bylo možné použití 50MHz pásma radioamatérskými stanicemi v jižní Evropě a Středomoří. Bohužel, Evropa v té době již několik let dříve toto pásmo předala televiznímu vysílání.

Pro vyváženou diskusi o této záležitosti teď slovo od slova odcitujeme vyjádření 5B4WR, který byl také jedním ze zdrojů výše uvedených grafů a dalších údajů.

- E.P.T.

Jak ten TEP vlastně funguje?

B. A. WHITING, 5B4WR

Jakékoliv vysvětlení ionosférického mechanismu, jehož výsledkem je zvednutý TEP MUF po západu Slunce nezbytně musí vzít v úvahu známé vlastnosti ionosféry v rovníkových oblastech. Ovšem výsledkem působení zemského magnetického pole na ionizované vrstvy zemské atmosféry v blízkosti geomagnetického rovníku je nezvyklé chování ionosféry v této oblasti, kde byly m.j. také pozorovány výskyty ionosférických hvizdů.
 

Fig. 3 - Běžné šíření a šíření TEP pozorované po západu Slunce mezi Salisbury a Limassolem. Běžná trasa A, využívá dvouskokový odraz od vrstvy F2 s mezilehlým odrazem okolo geomagnetického rovníku. Zvýšení výšky a rozpad vrstvy F2 na ionizované oblaky může dovolit to, že vlna by se mohla šířit podél hranice vrstvy. Výsledek tohoto šíření, při kterém se signál šíří různými cestami má za následek sice určité zkreslení signálum ale relativně dobrou spolehlivost takových spojení.

Takovou jednou zvláštností je i zvýšený stupeň ionizace oblasti F2, se špičkami v elektronové hraniční hustotě, která se objevuje v oblasti cca 15 stupňů okolo geomegnatického rovníku. Tato přítomnost oblasti s vysokou hustotou společně s vyšší úrovní ionizace všeobecně, způsobuje vyšší hodnoty MUF všude na radiových trasách ve směru sever - jih. To je znázorněno na obrázku 3A pro běžné šíření radiových signálů ve dvou skocích, zde znázorněné pro trasu z Salisbury do Limassolu prostřednictvím odrazu od oblastí s výskytem vrstvy F2.

Co ale potom se vzrůstem MUF během výskytu TEP, pozorovaného po západu Slunce s charakteristickým jevem "třepotavého" signálu? Ačkoli byly pro tento případ šíření vypracovány různé hypotézy, asi nejpravděpodobnější a zároveň nejjednodušší a nejsrozumitelnější bude porozumět této situaci podle nákresu na obrázku 3B, neboť má rovněž smysl vzít v úvahu chování oblasti vrstvy F2 potom, co v oblasti blízko zkoumané oblasti poblíž geomagnetického rovníku zapadne Slunce. Ukazuje se totiž, že výška vrstvy F2 se zvedá prakticky okamžitě po západu Slunce, což je doprovázeno rozbitím dosud jednolité vrstvy F2 do jakýchsi oblaků vyšší ionizace, což přetrvává během několika následujících hodin. Protože signálové odrazy, vracející se od vertikálně orientovaných oblaků jsou během této časové periody  rozptýleny, získává odražený  signál charakteristický třepotavý zvuk vlivem vícenásobného odrazu od silně ionizovaných oblaků, což je efekt, který se nazývá "rovníkové rozprsknutí, nebo rozpad  vrstvy F".

Tento jev je znázorněn na obrázku 3B, který také nabízí možné vysvětlení, jak může dojít ke zvýšení pozorované hodnoty MUF, neboť díky sklonu  hranice vyšší ionizace v oblasti vrstvy F2 se radiové vlny setkávají s ionizovanou vrstvou pod nižším úhlem dopadu, než by bylo normálně možné a vlivem postupné refrakce jsou vedeny podél ionizované oblasti, aby byly posléze vráceny směrem k zemskému povrchu, v tomto případě směrem k Limassolu, bez toho, aby se musely odážet na nějakém mezilehlém odrazovém bodě⁵ od zemského povrchu. Díky výskytu oblasti vyšší hodnoty ionizace a nižšího úhlu dopadu jsou odraženy vyšší kmitočty, což má za následek pozorovatelné zvýšení hodnoty MUF.

Vyloučení nějakého mezilehlého zemního odrazového bodu snižuje útlum šíření a rozptyl na obláčcích vysoké ionizace způsobuje efekt známý jako přesrovníkové třepotavé úniky. Tento rozpad F vrstvy v rovníkové oblasti bezprostředně potvrzuje také pozorovaný třepotavý únik všeobecně zaznamenávaný na krátkovlnných signálech, šířících se napříč přes geomagnetický rovník během období po západu Slunce. Tento jev je radiokomunikačním profesionálům známý jako “tropical sunset fading effect” - což je určitě, jak doufám, samo o sobě dostatečně vysvětlující. Výskyt rovníkového rozpadu F vrstvy na jednotlivé vysoce ionizované oblaky celkově podléhá z hlediska intenzity a trvání stejným sezónním vlivům, jak ostatně bylo pozorováno během "pozápadového" TEP šíření signálů v pásmu 6m⁴.

Další ionosférickou zvláštností, pozorovanou v oblasti geomagnetického rovníku, je prakticky celodenní přítomnost pásu sporadické vrstvy E, která se rozpadne a vytratí po západu Slunce. Na obrázku 3A, zobrazující dvouskokové šíření, by mohly být určité kmitočty odráženy od vršku této vrstvy, na předcházejících záznamech dokonce občas až do 56MHz. Pokud jsou signály odráženy od této vrstvy Es, potom by se měly vytratit po západu Slunce vzhledem ke zvýšenému útlumu, což je také prakticky pozorováno jako hluboký pokles úrovně signálu na pásmu 6m při západu Slunce během rovnodennosti. Právě přítomnost sporadické vrstvy E je tedy zobrazeno na modelu, ukázaného na obrázku 3A. Tento jev byl pozorován v úzkém pásu nad geomagnetickým rovníkem a s ohraničením cca 10 stupňů na sever a 10 na jih. Měli bychom si ale uvědomit, že obrázky 3A a 3B nejsou v měřítku skutečných rozměrů a zakřivení Země.

Obrázek 4. zobrazuje pravděpodobnost výskytu rovníkového "rozprsknutí" vrstvy F do separátních ionizovaných oblaků, jak bylo po západu Slunce pozorováno nad Ibadanem cca na 6 stupních jižně od rovníku. Obrázek také demonstruje vytracení vrstvy Es po západu Slunce. Záznam zobrazuje pro oba jevy pravděpodobnost výskytu během hodinových pozorování jak byly zaznamenány během září 1958. V případě vrstvy Es, byl její výskyt zaznamenáván, pokud byla schopna odrážet signály na kmitočtech vyšších, než 5MHz. tento graf byste určitě měli porovnat s každodením pozorováním úrovně signálů v pásmu 6m na trase Salisbury-Limassol během stejného období.

Použití TEP

Informace o tomto druhu šíření přirozeně poskytují podklad pro diskusi a nabízejí radioamatérům užitečné nářadí, aby mohli prodloužit dosah jejich spojení, a to jak v QRB, tak i v maximálních použitelných kmitočtech. Z poskytrnutých informací nyní známe, které zeměpisné oblasti můžeme  s výhodou vybrat jako speciálně vhodné pro zvláštní šíření typu TEP, které kmitočtové pásmo je možno použít, jakož i v kterém denním a ročním období můžeme očekávat nejlepší výsledky. Nejúčinnějším komunikačním modem je CW z hlediska nečekaných úniků, ale možná je také hlasová komunikace.

Závěrem je možno říci, že severo-jižní přesrovníkové šíření na trasách mezi vůči geomagnetickému rovníku symetricky umístěnými stanicemi, vzdálenými od sebe cca  4800 až 6400 km (což ovšem může být prodlouženo dalšími druhy šíření), může nabízet možnost poměrně spolehlivé radiové komunikace při použití pásem do 50MHz během 3 hodin po čase místního západu Slunce okolo rovnodennosti. Signály šířené tímto druhem přenosu se vyznačují charakteristickým rychlým únikem. Méně spolehlivá komunikace je možná i na kmitočtech nejméně 70MHz. To vše je navíc možné i při použití nízkovýkonových radioamatérských zařízení a dokonce i bez použití nějakých speciálních druhů antén a přijímačů. S tohoto pohledu nám TEP nabízí velký potenciál pro spolehlivou komunikaci, zejména pokud zvážíme, že TEP může dosáhnout ještě větší důležitosti když tento druh šíření bude ještě více prozkoumaný.

   Odkazy

  “The World Above 50 Mc,” QST, October and November, 1947.
2 Ferrell, “V.H.F. Propagation in the Equatorial Region,” paper presented at URSI Spring Meeting, 1951, abstracted in IRE Proceedings, Vol. 38, p. 719.
3 “ARRL-IGY Propagation Research Project,” QST, September, 1956. “NBS Equatorial Region V.H.F. Scatter Research Project,” QST, August, 1957.
4. Cracknell, “Transequatorial Propagation of V.H.F. Signals,” QST, December, 1959. “More on Transequatorial Propagation,” “Technical Correspondence,” QST, August, 1960.
5 This is essentially the “billiard-ball mode,” proposed by Villard, Stein and Yeh: “Studies of Transequatorial Ionospheric Propagation by the Scatter-Sounding Method,” Journal of Geographical Research, Vol. 62, p. 399.

QST April 1963

Made by OK1TEH for OK2KKW.com pages -  2008                                                 Volný překlad pro české čtenáře zajistil OK1VPZ.