 |
Dourbes Digisonde Ionogrammen lezen
(uit CQ-QSO
11/12-2008, door Staf Rans, ON6RR)
 |
 |
Inleiding
Veel radioamateurs maken dankbaar gebruik van de ionogrammen die door het Geofysisch Centrum van het KMI te Dourbes via het internet worden aangeboden.
Maar: hoe moeten we deze ionogrammen ‘lezen’?
Inleiding Het Geofysisch Centrum (GC) van het KMI te Dourbes ligt in een prachtige omgeving in het zuiden van het land, dicht bij de Belgisch-Franse grens (WWloc JO20bd), ver weg van om het even welke elektrische of magnetische storing. De site werd ingehuldigd in 1956. In 1957, het Internationaal Geofysisch Jaar, werd, lang voor het onderzoek van de hoge atmosfeer via satellieten, de ‘digisonde’ in gebruik genomen om ionosfeerpeilingen uit te voeren. Naast de studie van profielen van de ionosfeer, worden in deze afdeling van het GC nog andere activiteiten uitgevoerd, zoals de studie van kosmische straling en – sedert het jaar 2000 – de studie van het seizoensgebonden gedrag van het D-gebied. Vroeger waren er wereldwijd ongeveer 64 stations waar ionosfeerpeilingen werden verricht met ‘numerieke’ sondes. Een aantal hiervan stapten over naar digitale sondes terwijl andere om diverse redenen uit de lucht gingen.
Kanttekening: in het GC worden verschillende toestellen met grote hoeveelheden water afgekoeld. Het KMI liet een waterleiding naar de gemeente Dourbes aanleggen en de inwoners konden bijgevolg over gratis warm water beschikken.
De digisonde van Dourbes (fig. 1) is zeker niet het allernieuwste snufje. Budgetbeperkingen en andere prioriteiten maken het niet steeds mogelijk om regelmatig moderne apparatuur aan te schaffen. Maar… het GC is in blijde verwachting: eind 2008 of begin 2009 wordt een moderne installatie in gebruik genomen. Nochtans zijn de huidige registraties nog steeds heel nuttig en duidelijk (zie verder). Met een oude, eenvoudige buizenzender kan je evengoed DX werken als met een modern toestel met veel toeters en bellen, nietwaar?
De digisonde werkt volgens hetzelfde principe als een radar. Pulsen worden verticaal opgestraald in een frequentiegebied dat 1 tot 20 MHz kan beslaan. Daar de maxima gewoonlijk 10 tot 11 MHz liggen volstaat het tot 12 MHz te peilen. De scansnelheid is 100 kHz/sec en hierin worden op regelmatige frequentieafstand (kanalen) pulsen uitgezonden en terug ontvangen. De tijdsduur tussen het ogenblik van uitzenden van de puls en de ontvangst van de echo ervan, dus de tijd die de puls nodig heeft om het traject af te leggen, vormt de basis voor de informatie geleverd door ionosfeerpeilingen. De peilingen worden het ganse jaar door, alle 15 minuten gedurende 24/24 uur gedaan. Bijna alle gebruikte numerieke digisondes zijn van het merk Lowell. Er zijn verschillende types in gebruik
- de DGS-256 zoals deze van het KMI in Dourbes
- de DPS-1 draagbare digisonde met 1 ontvanger
- de DPS-4 draagbare digisonde met 4 ontvangers
- de VIS verticale sounder gebruikt voor Telstra Australia
Het uitgangsvermogen van de pulszender van de digisonde te Dourbes bedraagt 10 kW. De antenne is een verticale “home made” antenne die qua constructie lichtjes afwijkt van een rhombic, met een mast van 43 m hoog en drie antennes parallel.
Ionogrammen
Dit zijn de gedetailleerde diagrammen waar het ons om te doen is: ionogrammen geven de variatie in ‘virtuele’ hoogte (h’) van de geïoniseerde lagen in de ionosfeer en dit in functie van de frequentie (f). Je kan het meest recente ionogram van Dourbes bekijken via deze URL: digisonde. oma.be/cgi-bin/latest.exe?. Het scherm wordt om de twee minuten vernieuwd, maar de metingen in Dourbes gebeuren om de 15 minuten. Daar er momenteel weinig of geen zonneactiviteit is, is in figuur 3 gekozen voor een ionogram uit 2001.
De tekst bovenaan het diagram vermeldt:
▪ STATION: de naam van de standplaats van de digisonde
▪ YYYY Day: datum
▪ DDD: Juliaanse kalenderdag, in het voorbeeld de 264ste dag van het jaar
▪ HHMM: tijdstip van de peiling in UTC
▪ P1; FFS; S; AXN; PPS; IGA en PS: registratiegegevens, gereserveerd voor ‘lokaal’ gebruik in Ukkel en Dourbes.
In de tabel aan de linkerzijde van de grafiek worden verschillende symbolen en waarden in vakjes weergegeven. Een waarde “N/A” (“not available”) betekent dat de condities van die aard zijn dat eventuele resultaten van de peilingen niet kunnen geïnterpreteerd worden. Het is eveneens mogelijk dat de fenomenen zich niet manifesteren.
fo |
‘kritische frequentie’ is de hoogste frequentie waarbij nog reflectie plaatsvindt. |
De peiling vond plaats op 21 september 2001 om 0800 UTC. De beide F-lagen zijn tot één laag versmolten en de vermelding in het ionogram is foF2 omdat F2 op de grootste afstand ligt. Wanneer F1 en F2 overgegaan zijn in F wordt dit in het ionogram als “F2” vermeld. Bij F1 komt dan “N/A” te staan. Het komt voor dat de F1-laag, zelfs overdag, een min of meer hoge densiteit heeft. Dan wordt zij door de digisonde waargenomen en vermeld. Zie het ionogram van 14 juli 2008 om 1515 UTC in figuur 4.
Uit de bekomen gegevens doet de digisonde namelijk aan voorspellingen. 10,5 MHz in de grafiek van figuur 3 en 5 MHz in deze van figuur 4. Wanneer een zekere graad van densiteit wordt waargenomen is dit voor de digisonde de kritische frequentie. Nochtans zijn er delen van de opgestraalde golf die verder gaan en weerkaatst worden. Deze laatste waarde kan overeenstemmen met de startfrequentie van de digisonde.
Het tweede vak bevat gegevens over de MUF-waarden (“Maximum Usable Frequency”). De maximum bruikbare frequentie is een berekende waarde voor gereflecteerde golven over de aardse afstand D. De factor M = MUF / f0F2.
Vervolgens worden een aantal hoogtegegevens voor de ionosfeergebieden aangegeven:
▪ h’F maximum virtuele hoogte van F-sporen
▪ h’F2 maximum virtuele hoogte van F2-sporen
▪ h’E maximum virtuele hoogte van E-sporen
▪ h’Es maximum virtuele hoogte van Es-sporen
De virtuele of schijnbare hoogte (h’) stemt niet overeen met de werkelijke (reële) hoogte. De opgestraalde golf verplaatst zich aan de normale snelheid van 300.000 km per seconde, maar in de nabijheid van de kritische frequentie vertraagt zij, waardoor de gemeten tijdsduur niet overeenstemt met de werkelijk afgelegde afstand. foF2 is correct maar de afstand niet.
De “zm” gegevens zijn realistischer en vandaar ook regelmatig lager dan foF2:
▪ zmF1 reële hoogte van de maximumconcentratie van de F1-laag
▪ zmF2 reële hoogte van de maximumconcentratie van de F2-laag
▪ zmE reële hoogte van de maximumconcentratie van de E-laag
De concentratie in functie van de hoogte is parabolisch gemodelleerd tegenover een horizontale as. De kritische frequentie is evenredig met de vierkantswortel van de concentratie.
y is een maat voor de dikte op de helft van die concentratie.
▪ yF1 dikte op de helft van de parabool die de F1-laag modelleert
▪ yF2 dikte op de helft van de parabool die de F2-laag modelleert
▪ yE dikte op de helft van de parabool die de E-laag modelleert
B0 en B1 zijn “IRI” (International Reference Ionosphere) parameters (voor lokaal gebruik):
▪ B0 IRI dikteparameter
▪ B1 IRI profielscherpteparameter
CC staat voor “confidence level”. Het is een bigram waarin elk cijfer zijn waarde heeft. 5 is een heel betrouwbaar resultaat en 1 is veel minder betrouwbaar.
Aan de rechterzijde van de grafiek wordt een kleurenschaal met waarden afgebeeld (-4 -3 … +4 +3). Die kleuren zijn een maat voor het dopplereffect van de echo’s. Onderaan de grafiek vinden we een handige MUF-tabel voor diverse afstanden (in km). Vermits de hoogte (h) en de overeengekomen afstand (3000 km) gekend zijn vergt het enig rekenwerk (driehoeksmeetkunde) om de afstand (D) en de daaraan verbonden MUF te berekenen. GC doet dit voor ons. De MUF-waarden zijn van toepassing voor Dourbes en bij
het bepalen van de afstand (D) wordt geen rekening gehouden met de situatie op het traject, zoals dag/nacht.
De lijn helemaal onderaan het ionogram bevat registratieparameters:
▪ DB internationaal bigram toegewezen aan Dourbes (DB)
▪ 220 enz. het door de digisonde gebruikte formaat voor afdrukken
▪ DGS-256 type DGS ▪ 50.1 N 4.6 E geografische coördinaten
De grafiek in het ionogram (figuur 5) is de grafische weergave van bepaalde registraties. Op de verticale as kan je de hoogte (h) in km aflezen, op de horizontale as de frequentie (f) in MHz. De andere lijnen in de grafiek geven een beeld van de situatie van de ionosfeerlagen.
Voor elke laag wordt een apart symbool gebruikt, zie figuur 6.
Let in deze figuur op het verschil in hoogte tussen foF2 en zmF2. De kritische frequentie (foF2) blijft gelijk met de frequentie van maximum concentratie (zmF2) maar door de lagere snelheid van de golf in de nabijheid van fo lijkt de door de golf afgelegde afstand groter.
Interpretaties van enkele ionogrammen.
Figuur 7 toont een ionogram afkomstig van de digisonde opgesteld in Juliusruh, Duitsland. Multi-echo’s zijn duidelijk zichtbaar.
Het ionogram van figuur 8 werd geregistreerd tijdens een periode van hoge Es-activiteit. De densiteit van de Es-laag is zo hoog dat de signalen van de digisonde het F-gebied niet bereiken.
Bij navraag aan het KMI werden deze waarnemingen bevestigd: “Ja, er is Es aanwezig, en die absorberen de F-laag. En ook later is de F2-laag zo klein dat ze ofwel hoger is dan 700 km of kleiner dan de F1-laag. Dat zijn verschijnselen die zich soms nog voordoen, zeker geen technisch probleem”. Tijdens deze Es-periodes worden bijvoorbeeld op 10 MHz en 14 MHz tijdens de dag heel sterke signalen gehoord van stations uit België of de naburige landen, iets wat in normale omstandigheden zo goed als uitgesloten is.
Ionogrammen voor radioamateurs
Voor wie zinnens is de propagatie te bestuderen of te volgen zijn vooral de gegevens fo en MUF bruikbaar. Het is bijvoorbeeld mogelijk om de gegevens van de lagen te volgen, want die zijn voortdurend in beweging. Via de database van het GC kunnen ionogrammen per uur terug opgevraagd worden: digisonde.oma.be/search.html. Ook kan er onmiddellijk gezien worden of er Es is en welke densiteit die laag heeft. Worden de andere lagen nog weergegeven?
Alhoewel de MUF eigen is aan de digisonde te Dourbes, krijg je toch een idee van de propagatiemogelijkheden op het tijdstip van dag of nacht. De afstand van Dourbes t.o.v. centrum-België (circa 100 km) is een verwaarloosbare factor. Vanuit DX-standpunt: de MUF/D tabel onderaan het ionogram in de gaten houden!
Wat de nieuwe digitale digisonde ons zal brengen valt nog af te wachten. Uitkijken dus.
73, Staf RANS, ON6RR UBA-sectie LVN
Bronnen
KMI afdeling Profielen van de Ionosfeer, met bijzondere dank aan: - Prof. Warnant - Prof. Jodogne - Mevr. Elise Vanmalderen - Guy Crabbé Digisonde van Juliusruh (Duitsland) URSI (Union Radio-Scientifique International)