Nocą radio AM sięga setki kilometrów dalej. W dzień tłumi je warstwa atmosfery

Po zachodzie słońca na fali średniej pojawiają się stacje, których w dzień nie było. Głos z odległego miasta, obcy język, muzyka przerywana szumem. Zasięg radia AM naprawdę rośnie wieczorem i nocą, a powód nie siedzi w nadajniku ani w odbiorniku. Chodzi o warstwę atmosfery, która za dnia tłumi sygnał, a nocą przestaje istnieć.^[1]

Dwie drogi tej samej fali

Fala ze średniofalowego masztu rozchodzi się na dwa sposoby naraz. Pierwsza część biegnie nisko nad ziemią i nazywa się falą przyziemną. Zakrzywia się wzdłuż kuli ziemskiej, ale słabnie, a po kilkudziesięciu kilometrach praktycznie ginie. Za dnia to zwykle cały zasięg stacji. Słyszysz nadajniki z okolicy i nic więcej.

Druga część idzie w górę. Gdyby powietrze nad nami było jednorodnym gazem, ta energia po prostu uciekłaby w kosmos. Nie jest jednorodne. Na wysokości kilkudziesięciu kilometrów zaczyna się obszar, w którym gaz przewodzi prąd, i to zmienia całą historię.

Powietrze, które przewodzi prąd

Sprawcą jest Słońce. Promieniowanie rentgenowskie i ultrafioletowe wybija elektrony z atomów i cząsteczek wysoko nad nami. Powstaje zjonizowany gaz, czyli plazma: swobodne elektrony i dodatnio naładowane jony. Ten obszar nazywa się jonosferą.^[2] Rozciąga się od kilkudziesięciu do kilkuset kilometrów nad gruntem, a to ona odbija i modyfikuje fale radiowe wykorzystywane w łączności i nawigacji.^[3]

W jej wnętrzu wyróżnia się trzy regiony, oznaczane literami D, E i F. Nie są to warstwy o ostrych granicach, jak w szkolnym rysunku atmosfery. To raczej trzy strefy o podwyższonej gęstości jonów, których wysokość i siła zmieniają się w ciągu doby i z porą roku. Region D leży najniżej, od mniej więcej 60 do 90 kilometrów. Nad nim rozciąga się E, a najwyżej F, sięgający kilkuset kilometrów.

Kluczowa jest tu arytmetyka dnia i nocy. Za dnia Słońce produkuje jony szybciej, niż one znikają, więc wszystkie trzy regiony gęstnieją. Nocą produkcja ustaje, a elektrony i jony powoli łączą się z powrotem w obojętne atomy. Ten proces rekombinacji nie jest natychmiastowy, dlatego zmrok nie gasi jonosfery od razu. Przez większość nocy region D nie istnieje w ogóle, region E wyraźnie słabnie, a najwyższy F trwa aż do rana. Rano wszystko odbudowuje się w ciągu kilkudziesięciu minut.

Region, który nie odbija, tylko zjada

Region D jest dla radia wyjątkowo nieuprzejmy. Leży nisko, gdzie powietrze jest jeszcze gęste i pełne obojętnych cząsteczek. Swobodny elektron wprawiony w ruch przez falę co chwilę w coś uderza, a przy każdym zderzeniu część energii fali zamienia się w ciepło. Sygnał, który przechodzi przez ten region, wychodzi z niego słabszy.

Im niższa częstotliwość, tym strata większa. Wolniejsza fala rozkołysuje elektrony na dłuższym odcinku drogi, więc do zderzeń dochodzi częściej. Pasmo średnie, w którym nadaje radio AM, leży dokładnie w tym niekorzystnym zakresie. Dlatego w dzień region D działa jak pochłaniacz: znaczna część energii lecącej w górę nie dociera do wyższych regionów, a fala przyziemna i tak nie sięga dalej niż za horyzont.^[4]

Noc, czyli przeszkoda znika

Po zachodzie słońca pochłaniacz przestaje istnieć. Fala dociera teraz do regionu F, który nocą wciąż jest zjonizowany i mocno wygina jej tor z powrotem ku ziemi. Wraca setki kilometrów od nadajnika, czasem po kilku odbiciach od gruntu i jonosfery po drodze. Jedno takie odbicie potrafi przenieść sygnał dalej niż cały dzienny zasięg stacji.

Skutek uboczny jest taki, że nocą robi się tłoczno. Na tych samych częstotliwościach odzywają się nadajniki z różnych krajów i wzajemnie się zagłuszają. W Stanach Zjednoczonych część małych stacji musi dlatego milknąć o zachodzie słońca, a inne zmniejszają moc, żeby nie wchodzić w drogę sąsiadom z odległych stanów. Słuchacz zyskuje zasięg i traci porządek.

To załamanie, nie odbicie

W potocznym języku mówi się, że fala odbija się od jonosfery, jak od lustra. To wygodne uproszczenie, ale fizycznie mylące. Lustro zawraca światło na powierzchni. Jonosfera nie ma powierzchni. Fala wchodzi w nią stopniowo, elektrony wprawione w ruch wypromieniowują własne pole, a wypadkowy promień wygina się coraz mocniej, aż w końcu zawraca. Zjawisko nazywa się refrakcją, tak samo jak ugięcie światła w wodzie przy patrzeniu na łyżkę w szklance.^[5]

Z tego modelu wynika coś, co ma praktyczne znaczenie: nie każda fala wraca. Jeśli częstotliwość jest zbyt wysoka jak na gęstość jonizacji, elektrony nie nadążają za drganiami i promień przelatuje przez jonosferę w kosmos. Dla każdego regionu istnieje więc częstotliwość graniczna, powyżej której fala ucieka. Operatorzy krótkofalowi dobierają pasmo do pory dnia właśnie z tego powodu: w dzień działa wyższa częstotliwość, nocą trzeba zejść niżej, bo jonizacja jest słabsza.

To samo tłumaczy, dlaczego radio FM zachowuje się zupełnie inaczej. Pasmo 88-108 MHz leży grubo powyżej częstotliwości granicznej jonosfery, więc fala przechodzi przez nią jak przez szybę i leci w kosmos. Zasięg FM kończy się w praktyce tam, gdzie kończy się horyzont, niezależnie od pory dnia. Efekt, który w AM jest codziennością, w UKF-ie po prostu nie występuje.

Skąd wiemy, że to działa

Dowód powstał w Anglii w latach dwudziestych, sposobem, który dziś brzmi jak eksperyment szkolny. Edward Appleton nadawał z nadajnika BBC w Bournemouth i odbierał sygnał w Oksfordzie, zmieniając powoli długość fali. W odbiorniku pojawiały się kolejno wzmocnienia i wyciszenia, bo fala przyziemna i fala wracająca z góry nakładały się na siebie raz zgodnie, raz przeciwnie. Z liczby tych wahnięć i znanych długości fal dało się policzyć różnicę dróg, a z niej wysokość warstwy odbijającej. Wyszło około 90 kilometrów.^[6]

W zimie 1926/1927 roku Appleton zauważył coś jeszcze. Przed świtem jonizacja niższego regionu spadała na tyle, że fala przechodziła przez niego i odbijała się dopiero od wyższego, położonego 230 kilometrów nad ziemią. Ten wyższy nazwał F, a w 1927 roku opisał jeszcze region D, którego główną funkcją jest pochłanianie. Trzy litery w podręcznikach pochodzą z jego pomiarów, nie z teorii wymyślonej przy biurku.

Gdzie jonosfera jeszcze pracuje

Satelity zabrały jonosferze większość pracy, jaką wykonywała przez pierwsze pół wieku radiofonii. Nadal jednak planuje się według niej transmisje na krótkich falach, nadal korzystają z niej radioamatorzy, a stacje nadawcze na całym świecie liczą się z porą dnia. Jonosonda, radar pionowo sondujący niebo, mierzy ją do dziś, wysyłając impulsy i mierząc czas powrotu echa. Sygnały GPS również przez nią przechodzą i też się w niej załamują, co bywa źródłem błędu pozycji.

Cały mechanizm jest przy tym zaskakująco kruchy. Wystarczy, że Słońce zejdzie za horyzont, i ściana, która przez cały dzień tłumiła sygnał, znika w ciągu godzin. O świcie wraca. Żadna inwestycja w mocniejszy nadajnik nie da tego, co daje samo zachodzenie Słońca.

Źródła

1. NOAA JetStream, „Learning Lesson: AM in the PM”, National Oceanic and Atmospheric Administration. https://www.noaa.gov/jetstream/learning-lesson-am-in-pm
2. UCAR Center for Science Education, „The Ionosphere”, University Corporation for Atmospheric Research, 2014. https://scied.ucar.edu/learning-zone/atmosphere/ionosphere
3. NOAA Space Weather Prediction Center, „Ionosphere”. https://www.swpc.noaa.gov/phenomena/ionosphere
4. Naval Postgraduate School, „Module 2_3: HF Radiation – Choosing the Right Frequency”, NWDC Electromagnetic Course. https://www.oc.nps.edu/NWDC_EM_Course/course_materials/module2_3.html
5. Naval Postgraduate School, „Module 2_2: The Ionosphere and the Sun”, NWDC Electromagnetic Course. https://www.oc.nps.edu/NWDC_EM_Course/course_materials/module2_2.html
6. Edward V. Appleton, „The Ionosphere”, wykład noblowski, 12 grudnia 1947. https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/appleton-lecture.pdf
7. Zdjęcie: Michal Osmenda, „Medium wave radio broadcast antennas on Cyprus at dusk”, Wikimedia Commons, licencja CC BY 2.0. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Medium_wave_radio_broadcast_antennas_on_Cyprus_at_dusk_(8010211455).jpg Kadr 16:9 i zmiana rozmiaru.