Ionen die radiogolven reflecteren

[Realist]

Ik vroeg mij af of er een proefopstelling bestaat waarin men bewezen heeft dat bepaalde ionen radiogolven reflecteren. En zo ja graag ook welke ionen dat dan precies zijn.
De aanname dat de ionen in de ionosfeer radiogolven reflecteren en daardoor radiogolven op langere afstanden tot de andere kant van de aarde kunnen komen is iets wat men in de praktijk ervaart en aanneemt dat het door de ionosfeer komt, echter ik heb dit nog niet gezien bij een proefopstelling als die uberhaupt ook bestaat. Alvast bedankt voor jullie antwoord.

[Benm]

Het lijkt me lastig hier een heel praktische proefopstelling voor te maken, gezien je die ionen in de gasfase wilt hebben. Bovenin de atmosfeer is dat niet zo'n probleem gezien er continu een bak ioniserende straling overheen gaat, maar in het lab lijkt me het lastig te maken.

Je zou feitelijk een grote platte 'TL buis' moeten maken, en dan kijken of die radiogolven wil reflecteren. Voor dit soort effecten wil je een reflector die 10x zo groot is als de golflengte voor betrouwbare resultaten. Met pakweg een vierkante meter ionisatiekamer en frequenties in het WiFi gebied zou het moeten kunnen.

Geen idee of het ooit gebouwd is - het lijkt me te complex als hobbyproject en van weinig wetenschappelijke waarde of praktisch nut om het professioneel te bouwen.

[Xilvo]

Zouden ionen niet te traag zijn om frequenties in het WiFi gebied te weerkaatsen?

[jkien]

Een wat mij betreft overtuigende demonstratie van het radiospiegelgedrag van plasma (=geioniseerd gas) is het waarnemen van meteoren m.b.v. radiogolven.(1) Men stemt af op een radiostation dat normaal niet ontvangen wordt omdat het voorbij de horizon is. Als er een meteoor door de atmosfeer vliegt zie je met het blote oog een lichtgevend spoor. Dat lichtgeven is een aanwijzing dat het een plasma is. Tegelijkertijd hoor je op de ontvanger het door het spoor gereflecteerde radiostation.

Ik vroeg mij af of er een proefopstelling bestaat waarin men bewezen heeft dat bepaalde ionen radiogolven reflecteren. En zo ja graag ook welke ionen dat dan precies zijn.

De ionen in het spoor van de meteoor zijn vooral stikstof en zuurstof, en dat geldt ook voor de ionosfeer.
De radiogolven worden vooral gereflecteerd door de vrije elektronen in het plasma, dus het maakt niet veel uit welke ionen het zijn.(2)

[Benm]

Zouden ionen niet te traag zijn om frequenties in het WiFi gebied te weerkaatsen?

Mogelijk. Naarmate de frequentie hoger wordt weerkaatsen radiogolven steeds minder, maar als ze onder een kleine hoek invallen compenseert dat het probleem - een beetje zoals je recht door een ruit kunt kijken, maar als je er onder een hele ondiepe hoek naar kijkt glas meer een spiegel lijkt te vormen. Niet door hetzelfde mechanisme, maar voor het concept wel hetzelfde idee.

Bovendien zou je in zo'n ionisatiekamer een veel hogere dichtheid van ionen kunnen produceren dan in de atmosfeer gebeurt, wat het effect ook zou moeten versterken.

Normaliter maakt men alleen praktisch gebruik van reflecties in de ionosfeer op vrij lage frequenties, zeg tot een paar MHz omdat het effect daar -betrouwbaar- is, en je bijvoorbeeld vanuit nederland radioberichten naar suriname kan sturen op een geschikt tijdstip.

Je hebt echter ook wel sporadische reflecties uit de E laag die op tamelijk willekeurige momenten veel hogere frequenties reflecteren, praktisch zeker tot in de 100+ MHz. Dit gebeurde wel eens met analoge TV toen dat nog in VHF en UHF werd uitgezonden, maar dat is inmiddels uitgefaseerd. Met omroep-FM rond 100 MHz is het nog wel mogelijk.

Of het met 2.4 GHz kan durf ik niet te zeggen: ik denk niet dat het ooit geobserveerd is, domweg omdat men op die frequenties uitgaat van louter line-of-sight verbindingen, en er niet voldoende vermogen achter zet om lange afstanden mogelijk te maken, ook al hing er letterlijk een spiegel in de ruimte.

GSM signalen rond 800-1900 MHz hebben mogelijk wel voldoende vemogen om zo'n skip te halen, maar door timing/framing effecten zijn deze signalen compleet onbruikbaar op meer dan ca 50 km afstand, ook al was de signaalsterkte ruim voldoende.

[ukster]

F2-laag ca 250km-400km overdag en ’s nachts aanwezig
F1-laag ca 225km overdag aanwezig, versmelt ’s nachts met de F2 laag
Voorbeeld: F1-laag (MG-band 1-30MHz) , Opstraalhoek Θ=30°-20°
maximale elektronendichtheid N_max=6.10¹¹ elektronen/m³
Kritische frequentie fc=9√(N_max )=6,97MHz
Maximum usable frequency MUF=fc/sin⁡(Θ) =13,94MHz-20,38MHz
Optimum Traffic Frequency OTF=0,85MUF=11,85MHz-17,32MHz
Skip distance Sd=2h√((MUF/fc)^2-1)=618km-1236km

[Benm]

Die maximum's zijn voor een bepaald acceptabel verlies: dat is vooral belangrijk als je meerdere keren tussen ionosfeer en grond op en neer moet stuiteren: die verliezen tellen om, en om pakweg indonesie of suriname te bereiken heb je nogal wat skips nodig. Als je bij iedere skip 3 dB verlies en je hebt er 20 nodig zit je aan 60 dB path loss, dat is nogal veel.

Maar experimenteel hoef je maar 1 reflectie te doen om het te bewijzen, als je daarbij 30 dB verlies is dat jammer, maar dat ene promille dat gereflecteerd wordt is meer dan genoeg om te kunnen meten om het effect aan te tonen.

Werken met 20 MHz (15 meter golflengte) is denk ik minder praktisch gezien het formaat ionisatiekamer dat je zou moeten bouwen (denk aan een wolkenkrabber oid) voor het experiment.

[die hanze]

Ik weet dat er radio's zijn die gebruik maken van het reflecteren van radiogolven door de ionosfeer om een bereik over de horizon te hebben.

Aangezien ionen geladen zijn zullen ze zeker interageren met radiogolven maar op welke maniet weet ik niet direct. Het is zeker een nuttige en interessante vraag. Ben totaal niet eens met benm dat hier geen of weinig wetenschappelijke waarde in zit. We doen toch veel radio astronomie? er zijn geioniseerde interstellaire wolken dus het is leuk en nuttig te weten wat deze gigantische wolken doen met de radio golven die er doorheen vliegen.

[die hanze]

@realist

Een duidelijk antwoord kan ik je niet geven maar ik denk dat de aard van de ionen weinig tot geen invloed gaat hebben op de manier van hoe deze radiogolven reflecteren. Wat belangrijk is, is de lading(ionisatie graad) en de massa van het ion. Wat nog belangrijker is is de dichtheid van je ionen wolk. De interne atoom structuur zelf van de ionen zal geen invloed hebben in hoe de radiogolven interageren met het ion omdat de interne vrijheidsgraden gekwantiseerd zijn in energie niveau's die in het UV-zichtbaar licht gebied liggen. Ja soms zijn er kleinere transities in het micro golf gebied (21cm lijn waterstof) maar echt in radio golf gebied zijn er geen tranistie's tenzij je een magnetisch veld aanlegt (NMR) maar ik neem aan dat je radiogolven met een vrij breed spectrum bedoeld.

[Benm]

Ben totaal niet eens met benm dat hier geen of weinig wetenschappelijke waarde in zit. We doen toch veel radio astronomie? er zijn geioniseerde interstellaire wolken dus het is leuk en nuttig te weten wat deze gigantische wolken doen met de radio golven die er doorheen vliegen.

Voor dat aspect is het natuurlijk wel interessant, ik bedoelde meer dat het geen nuttige toepassing heeft voor radiocommunicatie, afgezien van de bestaande ionosfeer waarvan we al pakweg een eeuw gebruik maken.

Voor radioastronomie is het natuurlijk wel interessant: wat als je wilt kijken in het RF gebied naar iets dat achter een wolk plasma zit, of zou je bijvoorbeeld reflecties van een andere bron kunnen zien in een plasmawolk, of wellicht bepaalde lensing effecten of andere interessante fenomenen.

[MartoO]

Voor reflectie of gedeeltelijke reflectie heb je vooral een brekingsindexverschil nodig. Dit geldt voor zichtbaar licht, maar volgens mij ook voor licht/fotonen buiten het zichtbare gebied. Kom je in hogere luchtlagen dan is de optische dichtheid (brekingsindex) kleiner dan op de grond en treedt er reflectie op. De mate van reflectie hangt af van het verschil in brekingsindices. In hoeverre het al dan niet goed te meten is, hangt vooral af van de intensiteiten. Ik vraag mij af of en in hoeverre ionisatie een rol speelt bij de het transport, absorptie of reflectie van licht. (ik denk weinig)

[Benm]

Zo kan je het wel zien inderdaad, maar die brekingsindex is nogal frequentie-afhankelijk in deze toepassing: het effect werkt het beste bij frequenties tot een paar tiental megahertz, en wordt daarna snel minder betrouwbaar. Bovendien moet het verschil in brekingsindex behoorlijk groot zijn om dergelijk sterke reflecties te krijgen.