Rádióhullámok terjedése a kozmikus térségben

Vitino, RT-70 rádióteleszkóp (bolygó-radar)

Az emberiség az utóbbi fél évszázadban jelentős lépéseket tett a világűr megismerése érdekében. Az erőfeszítéseket számos siker koronázta, és számtalan olyan technológiai eszköz jött létre, melyek működtetéséhez elengedhetetlenül fontos mind a Föld légkörének, mind a kozmikus térségnek pontos ismerete. Mind az űrtávközlés, mind a rádiócsillagászat szempontjából a légkör és a világűr rádióhullámokat hordozó közegnek minősül.

Átmenet a légkör és a világűr között

A Föld légköre és a kozmikus térség között pontos határvonal nem húzható, a légkör fokozatosan ritkul. Az elektromágneses hullámok terjedése szempontjából a fokozatosan ritkuló légkörnek is hatása van a Föld-Űr Űr-Föld tipusú összeköttetésekre.

A légkör hatása a terjedés nyomvonalára

A légkör ritkulásával fokozatosan csökken a légkör törésmutatója, ennek következtében ha a rádióhullámok nem a zenit felől érkeznek, illetve nem a zenit irányában történik a kisugárzása, akkor a sugárzás trajektóriája elgörbül. A légkör alsó részén a görbülés erősebb, mint a felső légkörben.

A Föld-Űr, Űr-Föld kommunikációban a legideálisabb, ha a zenit irányában történik. Ilyenkor a legrövidebb a Föld légkörében megtett szakasz, és a legkisebb a légkör általi csillapítás a sugár nyomvonala egyenes a sugárzás iránya pontosan az eszköz irányába mutat.

Minél inkább eltér a sugárzás iránya a zenittől, a nyomvonal annál inkább elgörbül. Ez az elgörbülés nem frekvenciafüggő, így az antenna beállítási iránya kiszámítható a törés törvényeit figyelembe véve a szokásos trigonometrikus képletekkel. A sugárzás iránya minél inkább közelebb esik a horizonthoz, annál hosszabb a rádióhullámok légkörben megtett útja, így annál inkább érvényesül a légkör csillapító hatása. A légkör csillapító hatása frekvenciafüggő.

A Föld légkörének átlátszósága

A Föld légköre nem minden frekvencián egyformán átlátszó. Ez a frekvenciafüggés nem lineáris, nem számítható ki, és időben is változó lehet. A légkör tulajdonságai behatárolják, hogy milyen frekvenciatartományt használjanak űrtávközlésre vagy rádiócsillagászatra.

Fontos tényező még az ionoszféra, amelynek átlátszóságát befolyásolja az űridőjárás.

fmin	fmax	Ionoszféra	Légkör
0	10 MHz	Ebben a frekvenciatartományban az ionoszféra nem átlátszó, a kozmikus tér irányában nem valósítható meg semmilyen összeköttetés.	A légkör teljesen átlátszó, nincs csillapítás
10 MHz	30 MHz	Ebben a frekvenciatartományban az ionoszféra átlátszósága napszak és évszakfüggő, valamint a napfoltok is jelentős hatással vannak az ionoszféra átlátszóságára.
30 MHz	50 MHz	Napfoltmentes időszakban az ionoszféra minden napszakban és évszakban átlátszó, viszont a napfoltos években ez az átlátszóság megszűnik.
50 MHz	100 MHz	Az ionoszféra átlátszó, csak extrém napkitörésekkor szűnik meg az ionoszféra átlátszósága.	A légköri inverziók enyhe csillapítást gyakorolhatnak.
100 MHz	1 GHz	Az ionoszféra mindig átlátszó.
1 GHz	5 GHz
5 GHz	30 GHz		Eső, köd, csillapítja az átvitelt, jelentős csillapítás csak extrém időjárási körülmények között.
30 GHz	100 GHz		A frekvencia növekedésével az időjárási jelenségek egyre inkább csillapítják az átvitelt.
100 GHz			A frekvencia növekedésével a tiszta légkör csillapító hatása is jelentősen növekszik. A csillapítás növekedése nem lineáris, vannak olyan frekvenciatartományok, ahol a légkör nem átlátszó, és vannak olyan frekvenciatartományok, amelyeken a terjedés csillapítatlan, ún. "átlátszó ablakok".

Meteorok

Meteorbecspódáskor a légkörben a becsapódás nyomvonalán ionizált gázok keletkeznek, amelyekről a rádióhullámok visszaverődnek. Ha a becsapódás nyomvonala és a Föld-Űr-Föld kommunikáció útvonala keresztezi egymást, akkor az elhalkulást, vagy kiesést okozhat néhány másodpercre, esetleg 1-2 percre.

Az űrben keringő mikrometeorok méretükből adódóan nem gyakorolnak hatást a rádiófrekvenciás összeköttetésekre.

Ionizáció miatt létrejövő rádiócsend

A Föld légkörébe nagy sebességgel belépő űreszköz körül ionizált gázréteg jön létre, ezért egy ideig elvesztik vele a rádiós összeköttetést.

A Föld körüli térség

Terjedés mágneses erővonalak mentén

A Van-Allen övezetben a Föld mágnesességének hatására ionizált, töltött részecskék áramlanak. A sugárzási öveken belül ezeknek a részecskéknek az eloszlása nem homogén, hanem a mágneses erővonalak mentén felgyülemlenek. Egy-egy erővonal a Föld északi féltekétől a déli féltekig terjed. Az alacsonyfrekvenciás rádióhullámok az erővonalak mentén felgyülemlett, koncentrált vonalak között, oda-vissza pattogva eljutnak a Föld egyik féltekétől a másik féltekéig.

Ezeknek a rádióhullámoknak mind az adása, mind a vétele csak a mágneses pólusok környékén valósíthatók meg. A távközlésben nincs jelentőségük, mivel csak néhány 10 kHz alatt figyelhető meg ez a jelenség, így nagyon kevés az átvihető információ, mindemellett a jelenség észlelése nagy méretű antennákat igényel mind az adó, mind a vevő oldalon.

Föld - Hold - Föld összeköttetések

Föld - Hold - Föld összeköttetésről akkor beszélünk, amikor a Földről a Hold irányába sugárzunk, és a Földön a Holdról visszavert jelet vesszük.

Föld - Hold, Hold - Föld összeköttetések

Föld - Hold, Hold - Föld összeköttetésről akkor beszélünk, amikor a Földről sugárzunk a Hold felé, amit Holdra vitt, vagy oda telepített eszköz vesz, illetve a Holdon lévő eszköz jeleit a Földön vesszük.

Az ilyen kapcsolat sokkal stabilabb, és erősebb, mint az EME, hiszen ilyenkor már a Holdon is a rendelkezésre áll egy megfelelő teljesítményű adóberendezés, illetve a hozzá tartozó, megfelelő méretű antenna.

Naprendszer

Mágneses erőterek a Naprendszerben

A Nap légkörének határvonala sem nem határolható be egy éles határvonallal, az átmenet itt is fokozatos. A Nap körüli kozmikus térség igen bonyolult felépítésű, ezt a térséget mágneses terek és plazmafolyamok töltik ki, amelyek a Nap ritka légkörét képezik. Ez a légkör legalább a Mars pályályáig terjed ki.

A Nap nyugalmi állapota esetén a bolygóközi mágneses erőtér erővonalai archimédeszi spirális alakúak, és a nagy energiájú részecskék ezeknek a spirálisoknak a mentén mozognak. Napkitörések esetén ezek a spirálok összezavarodnak. A mágneses tér és a plazmasűrűség inhomogén lesz.

Az ionizált, vagy nagyenergiájú részecskék egy adott határfrekvencia alatt befolyásolják a rádióhullámok terjedését, átlátszatlan, illetve visszaverő közeget képezhetnek. Ez a határfrekvencia néhány 10 kHz körül van, az ionizált részecskék sűrűségétől függően. Ennek tanulmányozása a Földről nem valósítható meg, hiszen ez a határfrekvencia a földi ionoszféra áteresztőképességének határfrekvenciája (10 - 30 MHz) alatt van. Ezt a határfrekvenciát nevezik kritikus frekvenciának, vagy plazmafrekvenciának.

A Naprendszer bolygóközi térségében a töltött részecskék koncentrációja lényegesen kisebb mint a földi ionoszférában. Ez a koncentráció minél nagyobb, annál nagyobb frekvenciájú rádióhullámokra képes hatást gyakorolni.

A kozmikus térség átlátszósága a Naprendszerben, és a Föld körüli űrben is nagyságrendekkel jobb, mint a Föld légkörének átlátszósága.

Terjedés bolygók, holdak felszínén

Más bolygók, holdak felszínén más-más terjedési viszonyok uralkodnak, a különböző rádiófrekvenciás sávok felhasználása, terjedés alapján történő beosztása eltér a Földön megszokottól. Egy bolygó vagy hold felszínén kiépítendő távközlési hálózatok tervezésénél teljesen más körülményeket kell feltételezni, mint a Földön.

• Rádióhorizont: Mivel a bolygók, holdak méretei eltérnek, így a rádióhorizont mérete is más lesz mint a Földön. Közvetlen hullámú rádiós összeköttetések tervezésekor ez kritikus szempont.
• Légköri hatások: Különböző bolygók légkörének fizikai, kémiai tulajdonságai eltérőek, így minden bolygó felszínén más légköri terjedések adódnak. Légkör hiánya esetén pedig nem kell légköri hatásokkal számolni, így horizonton túli összeköttetés légköri terjedés útján nem valósítható meg.
• A bolygók vagy holdak talaja más-más összetételű, így a felületi hullámterjedés vagy a talajreflexió is másként alakul, mint a Föld felszínén.

Bolygóközi kommunikáció

A bolygóközi kommunikáció megvalósítása az adott bolygók légköri terjedésének ismeretén felül csillagászati ismereteket is igényel. Ismerni kell hogy

• X bolygó felszínének adott pontja mely időintervallumokban látható Y bolygó felszínének adott pontján. Egy másik bolygóra telepített eszközzel történő kommunikáció segítésére a bolygó körül műholdat állítanak pályára.
• X bolygón ismerni kell, hogy a kommunikáció időpontjában milyen irányszögből ( eleváció és azimut) látszik Y bolygó. Továbbá a látszólagos mozgását is ismerni, követni kell. Y bolygón is ismerni kell ugyanezeket az adatokat X bolygóról.
• X-Y bolygó pillanatnyi távolságát. Mindkét bolygó felszínén gondoskodni kell olyan nyereségű antennákról, hogy a legnagyobb távolság esetén is megfelelő jelszintet biztosítson, illetve behatárolni azt az időintervallumot, amikor nem valósítható meg a kommunikáció. X-Y bolygó távolságának ismerete abból a szempontból is fontos, hogy mennyi jelkéséssel kell számolni. Ez lehet akár több perc, vagy akár órányi is.
• X-Y bolygó pillanatnyi távolsága állandóan változik, egymáshoz képesti relatív sebességük elegendően nagy ahhoz, hogy a doppler-hatás következtében a kommunikációra használt frekvencia számottevően eltolódjon. A bolygók egymáshoz képesti relatív sebessége időben szintén változik, így a forrásjel frekvenciája a célhelyen a relatív sebesség függvényében változik. Ez a frekvenciaeltolódás akár 100 kHz körüli is lehet.

• Egy bolygó vagy hold felszínére telepített kommunikációs eszköz átviteli frekvenciáját kis mértékben módosítja a gravitációs idődilatáció is. Ha a Föld felszínén egy oszcillátor frekvenciája 1400000000 Hz, akkor a Jupiter felszínén ugyanennek az oszcillátornak a frekvenciája 1400000027 Hz lenne. Ugyanennek az oszcillátornak a frekvenciája gravitációs forrásoktól távol 1399999999.023 Hz lenne.

Csillagközi tér

Jelenleg (2024) az emberiség a csillagközi térben nem végez semmilyen aktív kommunikációs tevékenységet. A Földtől legmesszebb járó ember alkotta eszközök még nem léptek ki a csillagközi térbe.

A csillagközi, és az intergalaktikus térségen keresztülhaladó rádióhullámok a passzív rádiós űrkutatásra, és a földön kívüli intelligenciától származó rádiójelek felderítésére korlátozódik.

A csillagközi tér majdnem tökéletes vákuum, a rádióhullámokra hatást a

• csillagok gravitációs tere (elhajlás)
• gravitációs lencse
• csillagködök (szórás, csillapítás)

gyakorolnak.

Különféle objektumokból származó rádiófrekvenciás sugárzások elemzése számtalan új ismerettel gazdagította az emberiséget.

A csillagrendszerek közti rádiós kommunikációt leginkább a nagy távolság miatti

• jelkésés (legközelebbi csillag kb. 4 év)
• szabadtéri csillapítás (legközelebbi csillag kb 367,8 dB)

nehezíti.

Szabadtéri csillapítás és jelkésés a kozmikus térségben

Egy összehasonlító táblázat néhány összeköttetésre:

Megnevezés	Távolság (m)	λ (m)	Av	Av (dB)	Jelkésés (s)	Jelkésés (óra)	Jelkésés (év)
Bluetooth eszközök távolsága egy asztalon	1	0,12	10955	40,4	0,0000000	0,0000000	0,0000000
Wifi – Eszkoz távolsága	20	0,12	4382044	66,4	0,0000001	0,0000000	0,0000000
Mobiltelefon – torony	500	0,35	321946122	85,1	0,0000017	0,0000000	0,0000000
URH rádió – adó	20000	3	7011271111	98,5	0,0000667	0,0000000	0,0000000
Geostacionárius összeköttetés 1400 MHz	35786000	0,21	4581070807597860000	186,6	0,1193694	0,0000332	0,0000000
Geostacionárius műsorszórás 5 GHz	35786000	0,06	56118117393073800000	197,5	0,1193694	0,0000332	0,0000000
Geostacionárius műsorszórás 10 GHz	35786000	0,03	224472469572295000000	203,5	0,1193694	0,0000332	0,0000000
Föld – Hold összeköttetés 1400 MHz-en (Földközel)	363104000	0,21	471631447901981000000	206,7	1,2111864	0,0003364	0,0000000
Föld – Hold összeköttetés 1400 MHz-en (Földtávol)	405696000	0,21	588765211517095000000	207,7	1,3532583	0,0003759	0,0000000
EME	726208000	0,21	1886525791607920000000	212,8	2,4223728	0,0006729	0,0000001
Föld – Mars 1400 MHz Földközel	78000000000	0,21	21763557877551000000000000	253,4	260,1803917	0,0722723	0,0000083
Föld – Mars 1400 MHz Földtávol	378000000000	0,21	511121664000000000000000000	267,1	1260,8742061	0,3502428	0,0000400
Föld – Jupiter 1400 MHz Földközel	629000000000	0,21	1415278731464850000000000000	271,5	2098,1213641	0,5828115	0,0000665
Föld – Jupiter 1400 MHz Földtávol	928000000000	0,21	3080609439056690000000000000	274,9	3095,4795325	0,8598554	0,0000982
Föld – Jupiter 23 MHz Földtávol (Jupiter-rádiósugárzása)	928000000000	13	803875007469823000000000	239,1	3095,4795325	0,8598554	0,0000982
Föld – Szaturnusz 1400 MHz Földközel	1227000000000	0,21	5385546930938780000000000000	277,3	4092,8377008	1,1368994	0,0001298
Föld – Szaturnusz 1400 MHz Földtávol	1576000000000	0,21	8884911691464850000000000000	279,5	5256,9781715	1,4602717	0,0001667
Föld – Uránusz 1400 MHz Földközel	2719000000000	0,21	26445945859628100000000000000	284,2	9069,6216043	2,5193393	0,0002876
Föld – Uránusz 1400 MHz Földtávol	3018000000000	0,21	32582106597877600000000000000	285,1	10066,9797726	2,7963833	0,0003192
Föld – Neptunusz 1400 MHz Földközel	4347000000000	0,21	67595840064000000000000000000	288,3	14500,0533703	4,0277926	0,0004598
Föld – Neptunusz 1400 MHz Földtávol	4646000000000	0,21	77214542089288000000000000000	288,9	15497,4115387	4,3048365	0,0004914
Föld – α Centauri 1400 MHz	4,1059570251084E+016	0,21	6030724489224430000000000000000000000	367,8	136960193,2375910	38044,4981216	4,3429792
Föld – Sirius 1400 MHz	8,136228206436E+016	0,21	23680285375726700000000000000000000000	373,7	271395774,6182690	75387,7151717	8,6059036
Föld – Vega 1400 MHz	2,3935648095678E+017	0,21	204942047946849000000000000000000000000	383,1	798408499,7490930	221780,1388192	25,3173674
Föld – Aldebaran 1400 MHz	6,14947480719E+017	0,21	1352747508280770000000000000000000000000	391,3	2051247133,7427300	569790,8704841	65,0446199
Föld – Plejádok 1400 MHz	4,1911035993618E+018	0,21	62834401361560300000000000000000000000000	408,0	13980038157,6620000	3883343,9326839	443,3041019
Föld – M13 (Arecibói üzenet) 1400 MHz	2,3746433486226E+020	0,21	201714664542477000000000000000000000000000000	443,0	792096970106,8070000	220026936,1407800	25117,2301531
Föld – Andromeda-galaxis 1400 MHz	2,36518261815E+022	0,21	2001105781480420000000000000000000000000000000000	483,0	78894120528566,5000000	21915033480,1574000	2501716,1507029

A csillapítás és a jelkésés mértékének változását a számok hossza is jól szemlélteti.

Kapcsolódó témájú szócikkek

• Űridőjárás
• Űrkutatás
• Rádiócsillagászat
• Műhold
• SETI