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業餘無線電樂趣多:
如何利用電離層做好 QSO

No.05   1992 Sep.   p106~108,   by 106~108 楊智凱 / BV2FB



    前期為您報導,促進會新任秘書長楊智凱 / BV2FB 的無線電心路歷程,介紹了由香腸到火腿、我是新火腿、OSL 通信證實卡等單元,本期繼續推出未完精彩內容。



    我常覺得香腸與火腿之間最大的差別可能就在於「電離層」這個摸不著卻又影響通訊距離遠近的東西。以前使用 27MHz CB 偶而通到菲律賓、印尼、香港就興奮得不得了。當時雖然稍有一點電離層之知識,但做夢也沒想到電離層的學問竟然如此之大,大到令各大強國每年花費巨資作各種研究。其實它的奧妙說起來也不難懂,因為電離層是地球上唯一不會因戰爭或敵意行為而失效的環球通訊媒介,除非熱核子戰爭嚴重到毀滅地球全部生物之程度,否則電離層是不可能被破壞的。


無遠弗屆全球通聯

Fig 01
電離層想像圖

    業餘人員利用無線電經由電離層之折射,可以無遠弗屆的與全球各地聯絡。妙的是,所能通達之地點隨著春夏秋冬之四季變化而變,每天 24 小時各有不同,不同經緯度各異,太陽黑子及其他輻射會影響它,每年與隔年不同,每 11 年又呈週期變化,其可謂變幻莫測。在這堭N一些難懂之數學,用簡易圖表及文字來向大家介紹何謂電離層及如何用它。圖片大多取材自 (The Shortwave Propagation Notebook),並已獲得原作者之同意使用。

    義大利科學家馬可尼發明無線電後,一心希望能完成跨海通訊,1901 年 12 月 12 日他終於在紐芬蘭的「信號山」上於 12:30PM 收到由英國普渡鎮上傳來的滴滴滴 "S" 信號,當時馬可尼雖無法解釋為何電波能傳送 3500 公里,但後人都知道那是全靠高空上的一層導電物質即今天我們所稱的電離層 (Ionosphere),這個電離層後來被證實且測出可以折射 3-30MHz 的短波電波。


電離層的產生

    地球上空的空氣分子受到來自太陽的紫外線照射,原子中的電子受到能量提昇,跳出成為自由電子而形成了一個導電層,太陽的紫外線強度每 11 年有一次大週期;由強而弱再恢復變強,主要是因為黑子的數目每年變化。小週期 28 天則是因太陽自轉,將黑子轉到背面再轉回,日蝕也會造成電離層大衰減,因紫外線被月亮擋住而到不了地球。從有記錄以來自 1976 年 6 月至今,太陽黑子最多的時候在 1979 年 12 月,上一次最弱的時候是在 1987 年。一般來說;太陽黑子愈多時,電離程度愈大,短波通信就愈好。

Fig 02   Fig 03
日蝕時,電離強度突然降低   紫外線打中電子,使其跳出成為自由電子



電離層高度

    電離層於 1924 年由英國科學家愛德華測出,他依電波折回之角度以三角測量法推算電離層高度約 160 公里。由於離地愈高空氣愈少,而紫外線則離地愈近愈弱。因此,在某一個高度上,正好空氣夠多,而紫外線夠強的地方,會形成一層電離最強的區域,往上因空氣不夠供應而減弱,往下因紫外線減少也減弱。電離層是由弱而強再變弱的連續體,並不是真的只有一層,但為方便研究通常將之視為一層。

Fig 04   Fig 05
單一波長紫外線形成之電離層   電離層的季節變化

    由於太陽的紫外線含有各種不同的波長,每個波長之離化力和穿透力都不同,所以白天照射地球時會在地球上空形成好幾層的電離層,層與層之間也是連續的,但為方便起見,稱之為 D.E.F. 三層。如圖所示,夏天因太陽直射,紫外線特強,F 層會分裂為 F1、F2 二層,冬天 F 層會降低而在原來之處形成薄薄的 F2 層。晚上不論冬夏,D 層都會消失而只剩 E、F 二層,另有一種偶而出現的電離層被稱為散見 E 層,出沒不定,原因至今不明,但妙用甚多,容後詳述。


臨界頻率 (Critical Frequency)

    假設將天線向上,垂直發射電波,電離層會將電波折射回來,但是如果頻率太高,電波將一去不返。在折返與不折返之界限的頻率稱之為臨界頻率。一般來說,臨界頻率愈高,通訊愈好,但也有例外。D.E.F 等每個電離層的臨界頻率都不同。


日夜差異各有不同

Fig 06   Fig 07
典型的夏天電離層變化   季節與臨界頻率之關係

    如圖所示是一個典型夏天的 24 小時臨界頻率變化圖,由圖中可看到;近中午時 F2 層之臨界頻率上昇到最高,而於日落後降低,但能維持一整夜。 F1 層則只在正午出現,E 層是天亮出現天黑消失,消失代表臨界頻率為零。


四季變化冬日較佳

    除了每天 24 小時變化外,四季也有如圖之變化,可見在冬天的白天臨界頻率昇高,通訊較好,晚上則比夏夜差。夏夜是很適合通訊的時段。


高緯度通訊不易

Fig 08
緯度與臨界頻率之關係

    電台所處之緯度不同,對臨界頻率也有極大之影響,高緯度地區由於太陽斜射,日照較少,電離層較稀薄,臨界頻率降低,如圖可見北緯 9 °近赤道之地區,比北緯 38 °好很多,台灣緯度 23 °在工業化國家中算是緯度很低的國家,屬於電波傳輸優良地區。其他高科技國家如歐洲、日本、美國北部,都不幸落在高緯度。所以台灣與美國東部通訊很困難,甚至比最遠的巴拉圭還不易通達,就是因為傳送路徑經過高緯度的北極地區。


地磁影響亞澳沾光

    地磁會使亞洲、澳洲地區 F2 層之臨界頻率比歐洲、非洲及整個西半球高,也就是通訊較好,可見中國封神榜比西方上帝更懂得照顧電波,千里眼及順風耳各負責影像及語言電波之傳遞。至於澳洲為何沾光,我得再深入研究看看。 END



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