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業餘無線電樂趣多:電離層與太陽黑子

No.08   1993 Mar.   p91~97,   by 楊智凱 / BV2FB






最佳發射角度

    假設 F 層高度為 250~400 公里,E 層高度為 100 公里,又假設最低電波發射角為 1°,則利用 F 層通訊,一次折射之距離為 3000~4000 公里,利用 E 層則可達 2000 公里,任何超過這個距離的通訊應是跳躍二次以上。假如天線發射角可以調整,就可得到如圖之最佳發射角與電離層高度傳播距離之關係,由於大部份八木天線之發射角約 12°,故利用 E 層折射時其最佳通訊距離應為 800 公里 (500 哩),利用 F 層時則為 2500~3000 公里 (1500~1800 哩),當然;當時使用頻率應在 LUF 及 MUF 之間。

Fig 01
電離層高度、通訊距離與最佳發射角

Fig 02
天線輻射角與天線高之關係

    一般短波天線不太容易改變發射角,理論上,經由提高天線高度可改變發射角,但鐵塔費用驚人,如圖,將天線高度調在 2.0λ至 1/4λ間變化,即可得到不同之發射角。有天線昇降機的人不妨一試,必有奇效。由上可知台北通台中時,天線最好降到 1/4λ ~1/2λ間,要通 DX 則要昇至 1~2λ間。以 14MHz 而言,天線須有 20 米高度,這就是小弟為何節衣縮食安裝 20 米鐵塔的緣故。如果您志在以 3.5MHz 的八木天線做 DX,則塔高應至少 80 公尺!幸好這類瘋子不多。日本 CQ 曾刊出一位仁兄使用 90 米高鐵塔,中間設有兩個 休息站,我想,他若能加個電梯就更理想了。HI HI!

    假如志在 100 公里近距離通信,使用偶極天線是最佳方式,因 Dipole 偶極天線能量從 20°起至 90°都有,所以只要電離層臨界頻率夠低,幾乎可以達到無越距之近距離通信,這就是為什麼促進會要向政府爭取 3.5MHz 的原因。因為 3,5MHz 正好可符合低臨界頻率及高發射角之需求,所需偶極天線只要用成本 50 元的任何一種電線就可以自製。


電離層風暴及騷動

    電離層有時會發生異常變化,正常無線電通訊會被衰減或中斷,有時甚至連大氣雜音都消失了,靜到讓人以為自己的接收機壞了;有時又似狂風暴兩造成信號強度劇變、回音、強烈雜音。這種現象通常稱之為「電離層風暴」 (Ionospher Storm) 或「電離層騷動」 SID (Sudden Ionospheric Disturbance)。

    電離層風暴一發生,常持續達數天之久。電離層騷動則由 20 分鐘至數小時不等,這段期間國際通訊會變得極為困難,甚至完全中斷,另一種極區特有的「極區中斷」現象,也常突然發生,且持續數小時至數天,使得高緯度地區通訊中斷。一般相信,太陽火焰對地球磁場造成影響是為上述現象之主因。其過程推想如下:

    當太陽黑子增多時常會突發火焰,此時太陽火焰發射出大量電磁波及粒子,紫外線、X 光、宇宙線,以光速速度於 8 分鐘後到達地球,在地球上空形成一厝極厚電離層,吸收了大部份的電波,而將 LUF 提高,使得通訊變得困難或中斷,各種充電粒子則於 18 至 36 小時後到達地球,再度造成電球層對電波之強烈衰滅。粒子集積在極區,使南北極通訊中 斷。由於火焰中含有極強之 3~300 MHz 電磁波,故會對電波產生極大之干擾,這就是干擾的來源之一。

Fig 03
太陽火焰將氣體拋向太空並射出電波
Fig 04
帶電粒子被地磁拉向南北極而散佈全球



電離層騷動 SID 特性

    太陽火焰位置及地球與太陽間的角度,會使同樣之火焰產生不同的電離層騷動。由於電磁輻射是以光速進行,故火焰出現後幾分鐘內 D 層電離層立即變濃變厚,而將低頻通訊切斷,然後漸漸波及高頻。通訊一旦中斷,通常要等幾分鐘才能恢復,有時甚至達數小時,通常也是從高頻率先恢復然後才往低頻率漸次打開,所以業餘玩家碰到此種狀況時,應先從高頻段 (例如 28MHz, 21 MHz) 試通。由於只有白晝邊才會受此影響,故也可利用地球黑夜邊來通訊,也就是將天線朝向相反方向,以使電波往另一半邊地球走,即使因而使距離加長也 是值得的。在赤道附近由於太陽直射,特別容易受到 SID 影響,緯度愈高則愈不會受 SID 影響,如果通訊完全中斷,最好的辦法是去喝杯咖啡,看看電視,一小時後再回來碰碰運氣,記得要從高頻段 (28MHz) 開始試。有時雖然觀察到太陽火焰,但因其發射電波之方向並未對準地球,甚至完全打偏了,所以通訊毫不受影響,有時明明沒有火焰,通訊卻衰減很厲害,一般相信是因為「紅眼黑子」所致,「紅眼黑子」可能是爆炸未成功之火焰的種子,雖未爆炸但仍射出極強之電磁波能量,專家稱之為 M 型 SID。

Fig 05
A - 正常通訊狀況
Fig 06
B - 受到太陽火焰輻射後形成濃厚 D 層



離子風暴

Fig 07
太陽對地球之各種影響

    太陽射出之離子 (電子、質子等帶電粒子)於爆炸後 18~36 小時到達地球,它們雖不像電磁波以光速進行,但速度也能達到每小時 1500 公里,不過此時同一火焰所產生之 SID 已消失了,這些粒子接近地球時,受到地球磁場影響而偏向南北兩極,強烈的粒子流使得 F 層被打散消失或裂成好幾片或好幾層,因而使高頻段通訊變壞,臨界頻率降為原來的一半,或通訊不穩及回音之現象。此種粒子流也可能進入 E 層而使低頻段通訊亦受到相同影響。離子風暴同時籠罩全球,所以白晝與黑夜邊全難倖免,由於粒子被拉向南北極,所以通常 通訊都由南北極先受影響再擴及全球,赤道區最後中斷。通常在太陽活動年平均每月會發生 100 小時電磁風暴,不活動年時則減半,風暴出現時可改用較低頻率繼續通訊或利用赤道地區作傳播路徑,切勿使路徑通過南北極,否則只有死路一條。利用黑夜邊通訊也完全無用,因為離子風暴是全球性的,不若 SID 只影響白晝邊。當通訊完全中斷時,不用去喝咖啡,可以出去釣魚或露營,三天後再回來,因離子風暴通常一來就是 2~3 天甚至更長,情況嚴重時連國際廣播、人造衛星遙測都要停擺,1990 年那一次大家應記憶猶新吧!只不過再次 提醒您人類的渺小、人定勝天。唉!!!

    由上可知,SID 之後 18~36 小時就會有離子風暴,可見太陽黑子及火焰之知識對短波通訊太重要了。不多懂一點太陽黑子形成及觀測資料,要玩短波,簡直就像不知水下有甚麼魚,吃那種餌,就貿然出來,空手而歸應是常事,當然瞎貓碰上死老鼠,也不是沒有,只是從未輪到我就是了。

各 種 通 訊 衰 弱 或 中 斷 原 因 及 對 策 表
  電離層騷動
SID
離子風暴 極區斷訊 極光現象
開始 突然出現 慢慢加強 突然出現 慢慢加強
影響時間 數分鐘至數小時 數小時至數天 數分鐘至數小時 數小時至數天
影響最大地區 晝日邊 (日照區) 極區及中緯度區 (日夜均有) 極區(日夜均有) 極區及中緯度區 (日夜均有)
最不受影響地區 黑夜邊 低緯度及赤道區 中緯度及赤道區 低緯度及赤道區
最易中斷頻率 3.5~14MHz 3.5~7MHz 24~28MHz 不分頻率
尖峰季節 四季 初秋至來春 四季 初秋至來春
與太陽黑子之關係 黑子多時變強 黑子中、多時均強 黑子多時變強 黑子中、多時均強
對策 利用黑夜邊通訊,用較高頻率在白晝通訊 與低緯度及赤道通訊,用較低之頻率於高緯度及通過極區通訊 與低緯度及赤道通訊,用較高頻率於高緯度及通過極區通訊 與低緯度及赤道區通訊



太陽黑子

    1611 年塞那 (Jesuit Friar Joseph Scheiner) 由望遠鏡中第一次看到黑子,當然中國人遠在數千年前早已看過不知幾次了,只是缺乏有系統的記載,今天我們比較了解黑子是由太陽表面上強烈磁場造成之氣雲旋渦所形成,雖然科學家每幾年就換一次理論,我們姑且就再信他們一次吧!自從 1949 年人類就已有系統的觀察太陽黑子且詳細記下其數目,雖然黑子的正確成因及性質並不十分清楚,但其對短波通訊之影響卻是確實無誤的,如圖可看到太陽上黑子之分佈及其近照。

Fig 08
太陽黑子圖
Fig 09
太陽黑子近照

    黑子大小由直徑數百公里至 10 萬公里,有時數個連起可達 50 萬公里之大,比好幾個地球還大 (地球直徑約一萬三千公里)。黑子在太陽上由東向西移動,每 27 天旋轉一週,其生命期有數天至數月不等。太陽黑子數目很難定義,因其有大有小、重重疊疊、三兩成群,所以瑞士蘇黎士的觀測站就定一個公式供各地觀察者參考:

R = K * (10 * g + f)

R:黑子指數
K:大小黑子調整系數
g:所有黑子之群數(數個成一群時)
f:所有觀察到之黑子數目

    為了統計方便,再將全月之黑子數加起來平均得到當日平均數,並將當月前後各 6 個月共 13 個月之黑子數加起來,再除以 12,以得到當月之「當月平滑黑子數」即數學上之移動平均值。因第 1 及第 13 月只計一半,其總和仍為 12 個月份。

RS = [0.5*R1+R2+R3+…+R11+R12+0.5*R13]/12

RS:當月平滑黑子數
R1 ~R13:前後 12 個月及當月之平均黑子數

    如圖可看出 1975 年至 1992 年各月平滑黑子數曲線,可以明顯的看出太陽黑子以約 10.8 年之週期變化,1990 年那次大週期造成世界通訊盛況,使得台灣第一批真正業餘的業餘無線電愛好者躬逢其盛,筆者當時曾以 28MHz 與歐美各地以 59 強度暢快通訊數百台。可惜現已不復昔日盛景,不過只要各位活得夠長,下一次高潮應會在約 2001 年時出現,請耐心等吧 l

Fig 10
1750 年至今的平滑太陽黑子數



太陽風指數 SF (Solar FIux)

    雖然太陽黑子數,對短波通訊有直接因果關係,但是黑子畢竟是個不太容易處理的資料,故現今大多使用太陽風指數,來分析傳播狀況。要測量太陽風指數,可將天線對準太陽,測出其表面輻射出來之電波,其中尤以 10.7cm 波長電波最足以反應太陽對地球電離層之影響。美國 NASA 及世界各國都有自己的 Solar Flux 觀測站,並將測得的資料及預測資料經由無線電發佈,台灣地區可以用 RBBS 收 PACKET 訊號最是簡便,有疑問可洽 BV5AF、BV2CR、BV2AC,或收聽 WWV 每小時第 18 分鐘之報告。官方資料以加拿大渥太華觀測站之數據 為準,每天 1700UTC 以 2695MHz 或 2800MHz 測得。請注意,由 WWV 收到資料是前一天的測定數據。但因每日變動不大,通常已很夠用,頻率為 2.5、5、10、15MHz …等。實測發現 SF 指數與太陽黑子呈下列公式關係:

SF = 63.7 + 0.73R + 0.0009 * R2

R:太陽黑子數




短期預測

    知道太陽風指數後,要如何用來預測短期通訊狀況呢?首先必須再學一個 a 指數,a 指數代表個別帶電粒子通過時所產生之磁場強度,0 代表最靜,400 代表最吵,30 以上代表離子風暴就要開始了。世界各地觀測站每 3 小時測量一次,但通常只供軍用或研究用,一般人是拿不到的,較易拿到的則是 K 指數,K 指數代表地球磁場受所有帶電粒子撞擊後所產生之變動狀況,測量較為容易,A 與 SF 一樣同時也經 WWV 廣播發送。K 指數官方標準以位於美國科羅拉多洲的波特之國家海洋大氣局 (NOAA) 之測量數字為準,以 0~9 代表其強 度,其與 a 指數大致關係如下:

K0123 4 5 6 7 8 9
a03715274880140240400

    由於取得不難,通常都被用來推定離子風暴之強度。


全天地磁指數

    假如你可以取得 a 指數,就可將全球各地之 a 指數予以相加平均而得那三小時的「全球三小時平均指數」,以符號 ap 代表之。將過去 24 小時的 8 個 ap 加起來平均,即得 24 小時平均數,以符號 AP 代表之。但如前述,a 指數取得不易,故通常都是用 K 指數逆算回 a 指數,即用上述之 a,K 對照表。將某一觀測站每天測得之 8 個 K 指數,查表得到 a 指數,再將過去 24 小時的 8 個 a 指數平均後,得到 A 指數,AP 與 A 指數經實際比較發現有 70% 的機會 A 指數比 AP 小 0~5 點,這個微小差距通常並不影響電離層預測。


分析

Fig 11

    如圖可以看出,SF 愈大通訊狀況愈好;而 AP 愈大,通訊愈差,通常 SFl00 以上,AP10 以下最易有 S=9 之通訊狀況出現。

    如果 SF 小於 100,而 AP 大於 30,都很不利於通訊。讀者只要先查出當年太陽黑子強度,確定季節,再以上圖對照即可大約知道今天「天氣」好不好。假如早晨起來發現 AP>40,那就釣魚去吧,如果 SF<70,那就喝咖啡約會去吧,假如這樣還不過癮,下次我們就來談談精密的算法以及特殊傳播狀況。


實例

    如下圖所示是日本 CQ 雜誌 1992 年 6 月份之通訊預測,取 2000KM 那張將之簡化後如圖 28 即可看出當月之 MUF 及 LUF,聽說有很多人買了日本 CQ 就順便將那本小冊丟掉,真是糟塌啊!那上面不但有全球傳播資料,尚有 AO-13 等衛星軌道及 REPEATER 時間表,及收聽報告,那是寶啊!切勿捨棄。

    劃斜線部份代表當時由日本到週圍 2000 公里通訊可以使用之頻率,例如 UTC 1 點時只有 14MHz 與 18MHz 勉強可通,UTC 12 點時自 1.9~18MHz 均可暢通,由於此表是依當年太陽活動狀況及當時季節推算出,故只適合做一般性參考,讀者仍須再用 SF 指數及 A 指數予以修正,酌予增減,所以如果在 6 月 15 日 UTC 22 點時發現 14MHz 根本不能通,可不能亂下定論,因為這張圖畢竟只是整月的概況而已。

Fig 12
日本 CQ 雜誌 1992 年六月份通訊預測

    至此希望讀者可以脫離摸索階段,而開始到處找 K、A、SF 指數及傳播狀況表,做一個真正的高水準業餘玩家。 END



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