Sporadiskt E, meteorspridning, norrsken och EME

På VHF och uppåt går radiovågor normalt i siktlinje och når bortom horisonten bara med hjälp av väder (se VHF och UHF). Men ibland kommer signaler från hundratals eller tusentals kilometer bort, och det beror på att något i atmosfären eller rymden fungerar som en tillfällig spegel: ett tunt, tätt moln av joner i E-skiktet, ett joniserat spår efter en meteor, norrskenets plasmaströmmar, eller månen själv. De här utbredningsformerna är intressanta både som fysik och som utmaning för radioamatörer, och de är också en störkälla som frekvensplanerare måste känna till.

Sporadiskt E#

Vad det är#

I jonosfärens E-skikt (ca 90–120 km, se Jonosfären) kan det ibland uppstå mycket tunna skikt eller moln, ofta bara någon kilometer tjocka och tiotals till hundratals kilometer breda, med mycket hög elektrontäthet. Det är sporadiskt E, förkortat Es. Enligt den allmänt accepterade vindskjuvningsteorin pressar vindar med olika riktning på olika höjd (vindskjuvning), tillsammans med jordens magnetfält, ihop metalljoner (till exempel järn och magnesium från förångade meteorer) till tunna skikt.¹ Hur molnen bildas i detalj är inte fullt utrett, och därför kan Es vara svårt att förutsäga.

Molnen kan ha så hög elektrontäthet att de reflekterar vågor långt ovanför E-skiktets vanliga kritiska frekvens (foE, ca 3 MHz på dagen). Skiktets kritiska frekvens kallas foEs och är ofta några MHz upp till ca 10 MHz, men vid kraftiga händelser betydligt högre. Molnen drar iväg med vindarna och finns från tiotals minuter till några timmar, och därför kommer och går öppningarna.

MUF och avstånd#

Eftersom molnet fungerar som en spegel gäller sekantlagen för reflektion (se Kortvågsutbredning) ungefär: högsta användbara frekvens vid ett visst avstånd är

där $i$ är infallsvinkeln mot skiktet, mätt från lodlinjen. Ju längre avstånd, desto flackare går strålen mot skiktet, och desto högre frekvens kan reflekteras. Med skiktet på 105 km höjd och en krökt jord (jordradien $R=6371$ km) är det längsta avståndet för ett enda hopp, då strålen lämnar antennen vågrätt,

När och var#

I norra halvklotet är Es vanligast från maj till augusti, med en topp i juni–juli och en mindre topp kring jul–nyår. Under sommaren finns ofta två dagliga toppar, förmiddag och tidig kväll.² Hur ofta olika frekvenser öppnar varierar mellan åren, och det är svårt att veta i förväg. Det ger skiftande bilder: på 10 m (28 MHz) och 6 m (50 MHz) är Es vanligt, på 4 m (70 MHz) mindre vanligt, och på 2 m (144 MHz) sällsynt. Två hopp, med en reflektion i varje led, kan teoretiskt nå som mest ca 4 600 km.

Es-signaler är ofta mycket starka men fädar snabbt (QSB), eftersom molnen rör sig. Under en öppning kan FM-radiobandet plötsligt fyllas av stationer från andra länder. Samma moln kan störa rundradio och andra tjänster som delar frekvens (se radiostörningar).

Meteorspridning#

Hur ett meteorspår reflekterar#

Varje dygn träffar enorma mängder små partiklar, mest sandkorn och mindre, jordens atmosfär med hastigheter mellan ca 11 och 72 km/s. De förångas på 80–120 km höjd och lämnar efter sig ett smalt, ca 10–30 km långt spår av joner och fria elektroner. Spåret fungerar som en kort, tunn spegel för radiovågor. Det finns två sorter:

• Underdense-spår har så få elektroner (under storleksordningen ${10}^{14}$ per meter) att vågen går igenom spåret och sprids av varje elektron för sig. Ekot byggs snabbt upp och klingar sedan av exponentiellt när spåret sprids ut av diffusion, på ett par hundra millisekunder eller mindre.
• Overdense-spår från större meteorer har så många elektroner att vågen reflekteras som mot en metallcylinder. De ger starkare och längre ekon, från en bråkdel av en sekund till minuter.

Spegelreflektionen kräver rätt geometri: spåret måste ligga så att vinklarna mellan strålarna och spåret blir lika (figur 2). För två stationer med ett avstånd på 500–2 200 km ligger reflektionspunkten ungefär på halva vägen mellan dem och på ca 100 km höjd.

Frekvens och ekokvalitet#

Eftersom ekon är korta använder man snabba trafiksätt. MSK144 i programmet WSJT-X är byggt för meteorspridning med 15 sekunders sändnings- och mottagningsperioder, och dokumentationen anger att förbindelser kan göras när som helst på VHF-banden på avstånd upp till ca 2 100 km.⁴ Äldre sätt är snabb telegrafi (HSCW) och FSK441. Gemensamt är att meddelandena sänds om och om igen, och att mottagaren plockar ut de bitar som kommer fram.

Skurar och dygnsrytm#

Utöver ett jämnt flöde av sporadiska meteorer finns skurar, när jorden passerar genom en ström av partiklar efter en komet eller asteroid. Maximum för några av de mest kända 2026 enligt Space.com ligger ungefär vid datumen i tabell 1; datumen skiftar med ett dygn från år till år.⁵

Tabell 1. Några meteorskurar och deras maximum (ungefärliga datum 2026).

Radion fungerar dag och natt och i alla väder, vilket är en stor fördel mot att titta på himlen. Därför kan man också utnyttja skurar som bara syns i dagsljus. Sporadiska meteorer ger flest ekon på morgonen, runt kl. 6 lokal tid, och minst på kvällen, eftersom morgonsidan av jorden vetter framåt i jordens bana runt solen och därför träffar fler meteoroider.

Kalendern i figur 4 visar skurarnas datum. Hur kraftiga de blir för radio varierar mellan åren.

Norrsken (aurora)#

När energirika elektroner strömmar ned längs magnetfältet och träffar atmosfären lyser den (norrsken), och samtidigt skapas små, långsträckta oregelbundenheter i elektrontätheten i E-skiktets höjd, ca 100–110 km. De är utdragna längs jordens magnetfältslinjer och sprider radiovågor kraftigt, men bara när vågens riktning är nästan vinkelrät mot fältlinjerna. Det kallas radioaurora eller norrskensspridning.

Eftersom fältlinjerna över Sverige lutar brant (drygt 70° mot horisonten, i norr ca 76°; ungefärliga värden), måste strålen nå skiktet i ca 14° elevation, mätt vid skiktet, för att träffa dem vinkelrätt (figur 3). Med jordens krökning betyder det att antennerna i praktiken riktas nästan horisontellt mot norr, mot ett område där oregelbundenheterna finns.

Elektronmolnen rör sig med hundratals meter per sekund, och det ger Doppler: signalen förskjuts och sprids över en bred frekvensremsa. Resultatet blir hes eller rasslande ton. Telegrafi (CW) är bäst, och tal (SSB) blir ofta oförståeligt. Signalerna svänger snabbt i styrka, och riktningen på bästa signal ändras med norrskenets rörelse.

Norrskensutbredning följer rymdväder (se Solaktivitet, rymdväder och radio). Ju längre söderut man bor, desto kraftigare geomagnetisk störning krävs, medan det i norra Sverige ofta räcker med måttlig aktivitet. Det sker oftare kring dagjämningarna (figur 4). Med fördel kontrollerar man Kp-index och aktuella varningar och lyssnar efter fyrar i norr.

Transekvatoriell utbredning (TEP)#

Nära magnetiska ekvatorn finns två band med högre elektrontäthet på ömse sidor, den så kallade ekvatorialanomalin. Under vissa tider på dygnet och året kan radiovågor på 50 MHz och uppåt färdas över ekvatorn mellan stationer på ungefär lika avstånd norr och söder om den, ofta flera tusen kilometer. Metoden kallas TEP (eng. transequatorial propagation). Det finns två slag, eftermiddags-TEP och kvälls-TEP, där den senare når högre frekvenser, och båda är vanligast kring dagjämningarna (figur 4).

Kända förbindelser går mellan Medelhavsområdet och södra Afrika samt mellan Japan och Australien. Sverige ligger för långt från magnetiska ekvatorn för att TEP ska vara ett vanligt inslag.

Regnspridning och flygplansspridning#

På mikrovåg, ca 3 GHz och uppåt, sprids energi av regndroppar i alla riktningar, och två stationer kan med antenner riktade mot samma regnområde få kontakt bortom sikt. Regnspridning används av amatörer framför allt på 10 GHz. Samma effekt är orsaken till att väderradar fungerar (se väderradar) och en möjlig störkälla mellan radiolänkar (se radiolänk). Regn dämpar samtidigt mikrovågorna, vilket begränsar hur högt i frekvens det är praktiskt (se Mikrovåg och millimetervåg).

Flygplan reflekterar också radiovågor. Ett trafikflygplan på 10 000 m höjd ser två markstationer på upp till ca 410 km vardera (formeln $\mathrm{4,12}\sqrt{h}$ i artikeln om VHF och UHF), så förbindelser över ca 800 km är möjliga. Signalen är Dopplerförskjuten av flygplanets rörelse, och förbindelsen varar bara när planet ligger rätt. Flygplansspridning används på 144 MHz och uppåt.

Jord–måne–jord (EME)#

Banförlust#

Månen är ett mål för radar och ett naturligt reflektionsmål för amatörer. Banförlusten för en signal som går till månen och tillbaka följer radarekvationen: mellan isotropa antenner,

där $R$ är avståndet till månen (i medeltal 384 400 km) och $\sigma =\rho \pi a^2$ är månens radartvärsnitt, med $a=1737$ km som månradie och $\rho \approx \mathrm{0,065}$ som månens radioreflektivitet (ungefärligt värde, ca 6–7 %). Ekvationen följer Skolnik.⁶

Banförlusten växer med 20 dB per tiofaldig frekvens, eftersom ${\lambda }^2$ minskar (figur 5). Den varierar också med månens avstånd, ca 356 000–407 000 km från perigeum till apogeum, vilket motsvarar $40{\log }_{10}(407/356)\approx \mathrm{2,3}$ dB.

Länkbudget#

WSJT-X-dokumentationen rekommenderar numera Q65 (undermodet Q65-60) före JT65 för EME på VHF och uppåt.⁴

Praktiska fenomen#

• Fördröjning: ekot kommer ca 2,56 s efter sändningen ($2·384400\mathrm{k}\mathrm{m}/c$).
• Doppler: jordens rotation ger en frekvensförskjutning som på 144 MHz vid 59° N är upp till ca ±230 Hz ($2vf/c$ med $v=465\cos {59}^{\circ }\approx 240$ m/s), och den ändras under det att månen går upp och ned.
• Faraday-rotation: på VHF vrids polarisationen när vågen går genom jonosfären, så signalen fädar långsamt (se polarisation).
• Libration: månens vaggande rörelse ger snabbare fädning på högre frekvenser.
• Himmelsbrus: galaktiskt brus på 144 MHz höjer bruset när antennen pekar mot Vintergatan, och därför varierar bruset mycket med månens läge.

Praktiska tips för radioamatörer#

• Lyssna först. Öppningar är korta. Sök av banden efter fyrar (se bandplanerna i amatörbanden) och rapportsystem som PSK Reporter och DX-kluster innan du sänder.
• Håll koll på läget. För Es och TEP gäller säsong och tid. För norrsken och HF är solaktivitet och Kp avgörande (se Solaktivitet, rymdväder och radio). Meteorskurar planerar man med kalender (tabell 1).
• Använd rätt trafiksätt. CW för norrsken, snabba digitala lägen för meteorer, svagsignalmoder för EME. Trafiktekniken beskrivs i Trafikteknik.
• Kom ihåg tillståndet. Sändning på amatörbanden kräver ett certifikat och en anropssignal och följer PTS föreskrifter (se Bli radioamatör). Effekt och band beror på certifikat. Att lyssna är fritt, och det är ett bra sätt att lära sig.

Kontrollfrågor#