ARZIN ATMOSFERİNİN DİK OLARAK GÖNDERİLEN ELEKTRO-MAGNETİK DALGALARIN İYONİZELİ BİR ORTAMDAKİ DURUMU

TEBLİĞ No: 10

UDK : 621.3.011

flrzın atmosferine Dik Olarak Gönderilen Elektro-Magnetik Dalgaların İyonizeli Bir Ortamdaki Durumu

Enver ÇETINER

Y. Müh-L. Stanford J.Ü.

I. FİZİKSEL DURUM:

Atmosfer bir yalıtkandır. Standard bir atmosferde radyo dalgaları ışık hızı ile ve bir doğru boyunca yayılırlar. Elektronlar atoma sıkı bir surette tutturulmuşlardır ve geçen radyo dalgalarının bunlar üzerindeki tek etkisi yörüngelerini değiştirmektir. Elektronların, geçen radyo dalgalarının etkisi sonucunda yörüngelerini değiştirmesi, bir kondansatörün dielektriğinde olduğu gibi yer değiştirme akımı meydana getirir.

İyonosfer bir iletkendir. İyonizeli bir ortamda serbest elektronlar vardır ve böyle bir ortamdan geçen radyo dalgaları bu serbest elektronlar üzerine bir kuvvet uygular. Bunun sonucu olarak serbest elektronlar geçen dalganın frekansında belli bir şekilde hareket ederler. Hareket eden elektronlar elektrik akımı meydana getirirler ve gerçek bir elektrik akımı geçer.

Titreşim yapan elektronlar, radyo dalgasından bir miktar enerji alır, minyatür bir anten gibi hareket ederek almış olduğu bu enerjiyi farklı bir fazda tekrar geçen radyo dalgalarına verir. Bu durum radyo dalgalan üzerinde iki etki meydana getirir.

a. Işık dalgası bir ortamdan kırılma endeksi farklı-başka bir ortama geçerken eğildiği gibi radyo dalgaları da elektron yoğunluğu büyük olan bölgelerden elektron yoğunluğu küçük olan bölgelere doğru eğilir.

Başka bir deyişle, radyo dalgalarına göre iyonosfer kırıcı ortamdır. Şayet boşluğun kırılma endeksi (fi, sembolü kullanılır) 1 olarak alınırsa iyonizeli bir bölgenin kırılma endeksi daima 1 den küçük ve sıfır ile 1 arasındadır. Kırılma endeksi l'e yaklaştıkça radyo dalgası daha az bükülür. Bu durumu bir şekille gösterelim.

Radyo dalgasının iyonosferdeki bu kırılışını Snell kanununa göre şu denklemle ifade edebiliriz.

sin ix = sin b. Radyo dalgalarının grup hızını azaltır, y. sıfıra yaklaştıkça radyo dalgası geciktirilir ve n = O olduğunda sinyal durur.

Yukarıda izah ettiğimiz iyonosferin kırılma endeksinin ölçüsü olan bu iki tesirin değeri, aşağıda gösterilen iki büyüklük arasındaki bağıntıya tâbidir.

ı^onneh

BIT dalganın iyonosferdeki fctuhjt. (Şekil: 1)

1. Santimetre küpdeki serbest elektron sayısı (N semboli kullanılır) N, ne kadar büyük olursa y. o kadar küçük olur ve dolayısiyle dalgada o kadar fazla eğilir.

2. Geçen radyo dalgasının frekansı (f) küçüldükçe (x de küçülür. Bu izahtan anlaşılacağı gibi fi serbest elektron sayısı ile ters, frekans ile doğru orantılıdır. (x, N ve f arasındaki bağıntıyı bir denklemle gösterelim.

nı\T

Burada f = KC dir.

Bu denklem incelendiği zaman şu sonuçlara varılır.

1. N nin herhangi bir sabit değeri için f nin öyle bazı kritik değerleri vardır ki, bunlar denklemde f nin yerine konduğunda H = Q olur. Bu durum meydana geldiğinde dalganın grup hızı sıfır olur, sinyal durdurulur ve tekrar arza yansıtılır. Tabiatıyla sinyal arza doğru gelirken grup hızı gittikçe artar ve iyonosfer tabakasını terkettikten sonra yine ışık hızı ile arza döner.

2. N nin ayni değeri için f bu kritik değerden daha büyük olursa fi,, de l'e yaklaşır ve radyo dalgası iyonosferi delip geçer ve bir daha arza dönmez, bu durumları bir gekil ile gösterelim.

10 &n

100 Km.

2 He/s

i, «e/s S »c/s

(Şekil. 2) Darbelerin bir tabakadan dönüşü

Yukarıdaki iki durumu şekil üzerinde de izah

edebilmek için Nu N2, N, ve N,

yoğunluklu

dört iyonosfer tabakası olduğunu kabul edelim.

a. Frekansı 2 MC/S olan bir radyo - frekans darbesi dik olarak iyonosfere gönderildiğinde, bu frekans için birinci tabakanın elektron yoğunluğu (N\) y. yü sıfır yapmaktadır. Bu sebepten darbenin hızı gittikçe azalır ve nihayet sıfır olur. Darbe geriye yansır ve arza gelir.

b. 3 MC/S lik darbe için N, tabakası ^ yü sıfır yapamadığından dalga bu tabakayı delip geçer fakat N2 tabakasından geri döner.

c. 4 MC/S lik darbe için yalnız N3 tabakası y. yü sıfır yapacağından bu dalgada ancak bu tabakadan geri döner.

d. 5 MC/S lik darbenin grup hızını sıfır yapmağa hiç bir tabakanın elektron yoğunluğu kâfi gelmediğinden bu dalga iyonosferi delip geçer ve arza dönmez. Bir tabakayı delip geçen frekansların en küçüğüne o tabakanın KRİTİK FREKANSI denir. Bu örnekte N m . x tabakasının kritik frekansı 5 MC, ve[z=l dir.

II. YÜKSEKLİKLERİN ÖLÇÜLMESİ :

1. Bir iyonosfer istasyonundaki göndermecten iyonosfere dik olarak bir sinyal gönderilir. Bu sinyal iyonosferin herhangi bir tabakasından kırılarak tekrar arza döner ve ayni istasyondaki almaç tarafından alınır. Bu sinyalin gönderilme ve alınma arasında geçen zaman farkı ölçülür. Elektromanyetik dalganın hızı (boşlukta ışık hızına eşittir.) ve ekonun almaç tarafından alınması arasında geçen zaman bilindiğine göre, bu dalganın aldığı yol bulunur. Bu yolun yarısı yansıma noktasının yüksekliğidir.

2. Fakat daha önce de görmüştük ki elektro manyetik dalga iyonosfer tabakasına girdiği zaman, grup hızı gittikçe azalmaktadır. Grup hızındaki gecikme miktarı N/f2 oranına bağlıdır.

/s

3. İyonosfer istasyonlarındaki yükseklik ölçekleri elektromanyetik dalgaların iyonosferde de ışık hızı ile gittikleri kabul edilerek ayarlanmış/ Iardır. Bu sebepten iyonosfer istasyonlarında ölçü-

len yükseklikler «GÖRÜNEN YÖKSEKiM» tb' semboli kullanılır) dir. Elektro - manyetit dâlga> ların iyonosferdeki hızı gittikçe azaldığından görü-nen yükseklik daima GERÇEL YÜKSEKLİK den büyüktür. İyonosfer istasyonundaki osiloskop üzerinde göreceğimiz frekafls* yükseklik grafiği Şekil 3. de gösterildiği gibi olur.

Hnhk fnkant

a

s

V

/ H'İS

(Şekil : 3) h" -f grafiği

Şekil 3 den de anlaşılacağı gibi 2 MC/S de dalga iyonosfer tabakasında fazla zaman sarfetmediği için görünen ve gerçel yükseklikler arasındaki fark pek azdır.

3 ve 4 MC/S de dalga iyonosfer tabakasında gittikçe artan bir zaman sarfettiğinden gecikme de artmaktadır. Bu sebepten görünen yükseklik gerçel yükseklikten büyüktür.

NOT : Görünen yüksekliği gösteren ionogramdan gerçel yüksekliğin nasıl bulunacağını örneklerle başka bir yazımda göstereceğim.

III. ÇOKLU TABAKALARDAN GELEN EKOLAR:

İyonosfer gündüz çok açıkça beliren üç tabakayı ihtiva eder. Bunlar : E.Fj ve F2 tabakalarıdır. Bu üç tabakanın kritik frekanslarının ve minimum görünen yüksekliklerinin aşağıda gösterildiği gibi olduğunu kabul edelim.

E tabakası — 2,5 MC/S

Ft tabakası — 5,0 MC/S F, tabakası — 8,0 MC/S

: 100 Km. : 200 Km. : 300 Km.

Bu durumları temsil eden h' — f grafiğini şekille gösterelim.

(Şekil : 4) Çoklu tabakaların h'- f grafiği.

Bu şekli tetkik ettiğimizde şu neticeleri çıkarabiliriz :

1. 2,5 MC/Sde elektro - magnetik dalga E tabakasını geçmekte ve F, tabakasından eko vermeye başlamaktadır.

2. 2,5 ilâ 3,5 MC/Sde dalgalar E tabakasını delip geçmekte fakat bu tabakada bir miktar gecikmeye maruz kalmaktadırlar. Bu gecikme tesiri, dalga frekansı E tabakası kritik frekansının dışına çektikçe yavaş yavaş azalmaktadır. (Verilen bir N kıymetine göre frekans artıkça gecikme tesiri de azalır.)

3. 3,5 MC/S de dalga, E tabakasının kritik frekansının dışına çıktığı için bu tabakayı hiç bir gecikmeye maruz kalmadan geçer.

4. F, tabakasının minimum görünen yüksekliği Fj tabakası ekosu üzerindeki en düşük noktadır. Bu sebepten dalga Fx tabakasında gittikçe artan bir gecikmeye maruz kalır ve frekans artınca sinyal bu tabakayı delip geçer ve F2 tabakasından ekolar alınmaya başlar.

5. F2 tabakasından alınan ekolar başlangıçta evvelce olduğu gibi Fj tabakasından geçerken bir gecikmeye maruz kalırlar.

6. Yüksek tabakaların, elektron yoğunluğu ve kritik frekansları aşağıdaki tabakalardan daha büyük olmadıkça gözükemiyeceğinin yani bunlardan eko alınamıyacağınm iyi anlaşılması lâzımdır. Şayet Fi tabakasının kritik frekansı 4 MC/S olsa idi bu dalga 5 MC/S olupta Fj tabakasını delip geçmedikten sonra F2 den eko alınmazdı.

IV. ARZIN MAGNETİK ALANI : Arzın magnetik alanı, iyonosferdeki dalganın basit olarak izah ettiğimiz durumunu bir hayli değiştirecektir. Arzın magnetik alanı, arzın merkezine konan bir dipolin husule getireceği magnetik alanın aynıdır. Bunu şeklen gösterelim.

ûalma açın (Şekil : S) Arzın magnetik alam.

E.MM. 73-74

Dalma açısı, magnetik kuvvet hatları ile arz yüzeyi arasındaki açıdır. Bu açı ekvatorda sıfırdır (kuvvet hatları hemen hemen yatay olduğu için) ve kutuplarda da 90° dir. (kuvvet hatları dik olarak arzın içine daldıkları için).

Magnetik alan şiddeti ekvatorda minimum, kutuplarda maksimumdur.

V. ARZIN MAGNETİK ALANININ TESİRİ :

Radyo dalgalan iyonosfere girdiği zaman iyonosferdeki serbest elektronları harekete geçirir. Elektronlar harekete geçtiği zaman arzın magnetik alanı bunlar üzerine bir kuvvet tatbik ederek hareketin spiral olmasına sebep olur. Bu sebepten, elektro - magnetik dalgalardan enerji alarak harekete geçen elektronlar bu enerjiyi tekrar dalgaya iade ederler. Fakat enerjiyi iade etme fazı alma fazından farklıdır. Bu faz farkından dolayı aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi iki farklı dalga meydana gelir.

Bu dalgalardan her biri

1. Farklı polarizasyonu haizdirler.

2. Farklı grup hızı ile gittiklerinden grup hızlarını sıfıra düşürmek ve tekrar arza dönmelerini temin etmek için farklı elektron yoğunluğuna ihtiyaç gösterirler.

0x

İOO SÛO

i)s J

TOO

—--

Vi ftc/S

e

(Şekil : 6)

OrAiner ve ekstra ordiner dalgalan.

Şekilden de anlaşılacağı gibi, bir magnetik alan yokmuş gibi hareket eden dalgaya ordiner dalga (0), diğerinde de ekstra ordiner dalga (X) denir. Bu dalgaların özellikleri:

1) X dalgası, arza dönmek için daha az elektron yoğunluğuna ihtiyaç gösterir ve daha alçak seviyelerde kırılarak arza döner. Kırıldığı tabakayı delip geçebilmesi için daha yüksek bir frekansa ihtiyaç gösterir.

2) Şekilden görüleceği gibi iyonogramın alt taraflarında dalgalar arasında fazla bir ayrılma mevcut değildir. Çünkü X dalgası tabakaya fazla girmemiştir.

3) 0 ve X dalgaları arasındaki frekans ayrılığı yalnız arzın magnetik alanının şiddetine tâbidir ve bu ekvatörde 0,5 MC/S ile kutuplarda 0,8 MC/S arasında değişir.

îyonosfere gönderilen elektro - magnetik dalgaların 0 ve X dalgalarına ayrılmaları lyonosferdeki bUtün tabakalarda olur. Şu halde komple h'-f grafiğini gu şekilde tekrar gösterebiliriz.

/ 7)

Komple h' t grafiği VI. MAGNETİK DALMANIN TESİRİ : Arzın magnetik kutuplan bölgelerinde, dalma açısı 90° ye yaklaştığından bazen dalganın üçüncü

bir bileşeni de meydana gelir. Bu bileşen «Z» olarak bilinir. Bu dalga arza tekrar dönmesi için da ha fazla elektron yoğunluğuna ihtiyaç gösterir. Ve bu sebepten O dalgasından daha küçük olan bir frekansta tabakayı deler. Umumiyetle bu dalganın tabakayı delip geçme frekansı ordiner dalganınkinden 0,5 ilâ 0,6 MC/S daha azdır.

REFERANS:

1 J. Belrose Enver ÇETİNER Measurement of Electron denslties in the ionospheric D. reglon at teh time of a 2 + solar flare Nature (baskıda).

2 J Belrose, Enver ÇETİNER, L. Hetvltt - Mesospheric Electıon Densıtles at Ottawa durlng -the july 1961 PCA events. 18 Ekim 1962 de Ottawada toplanan' URSI/IRE'ye verilmiştir

3 Mitra S.K — The upper Atmoephere. i Bennington T W — Short wave Radio ana the ionosphere

E.M.M. 73-71