Earth–ionosphere waveguide
પૃથ્વી-આયનોસ્ફિયર વેવગાઇડ એ ઘટનાનો ઉલ્લેખ કરે છે જેમાં અમુક રેડિયો તરંગો જમીન અને આયનોસ્ફિયરની સીમા વચ્ચેની જગ્યામાં પ્રસરી શકે છે. કારણ કે આયનોસ્ફિયરમાં ચાર્જ કણો હોય છે, તે વાહક તરીકે વર્તે છે. પૃથ્વી ગ્રાઉન્ડ પ્લેન તરીકે કામ કરે છે, અને પરિણામી પોલાણ મોટા વેવગાઇડ તરીકે વર્તે છે. અત્યંત ઓછી આવર્તન (ઇએલએફ) (<3 કિલોહર્ટઝ) અને ખૂબ ઓછી આવર્તન (વીએલએફ) (3-30 કિલોહર્ટઝ) સંકેતો આ વેવગાઇડમાં અસરકારક રીતે પ્રચાર કરી શકે છે. દાખલા તરીકે, વીજળીના પ્રહારો રેડિયો વાતાવરણ નામના સંકેતને પ્રક્ષેપિત કરે છે, જે હજારો કિલોમીટરની મુસાફરી કરી શકે છે, કારણ કે તે પૃથ્વી અને આયનોસ્ફિયર વચ્ચે મર્યાદિત છે. વેવગાઇડની રાઉન્ડ-ધ-વર્લ્ડ પ્રકૃતિ પોલાણની જેમ પડઘો ઉત્પન્ન કરે છે, જે ~ 7 હર્ટ્ઝ પર હોય છે. પરિચય આયનમંડળમાં રેડિયો પ્રસાર આવર્તન, ઘટનાનો કોણ, દિવસનો સમય, મોસમ, પૃથ્વીનું ચુંબકીય ક્ષેત્ર અને સૌર પ્રવૃત્તિ પર આધાર રાખે છે. ઊભી ઘટના પર, એફ-સ્તરની મહત્તમ ઇલેક્ટ્રોન પ્લાઝ્મા આવર્તન (એચઝેડમાં) કરતા મોટી આવર્તન ધરાવતા તરંગો (ઇલેક્ટ્રોન ઘનતા છે) આયનમંડળમાં લગભગ અવિરત પ્રસારી શકે છે. તેનાથી ઓછી આવર્તન ધરાવતા તરંગો આયનોસ્ફેરિક ડી-, ઇ-અને એફ-સ્તરોમાં પ્રતિબિંબિત થાય છે. તે દિવસના સમયે 8-15 MHz ના ક્રમમાં હોય છે. ત્રાંસુ ઘટના માટે, નિર્ણાયક આવર્તન મોટી થઈ જાય છે. ખૂબ ઓછી આવર્તન (વીએલએફઃ 3-30 કેએચઝેડ) અને અત્યંત ઓછી આવર્તન (ઇએલએફઃ <3 કેએચઝેડ) આયનોસ્ફેરિક ડી-અને નીચલા ઇ-સ્તર પર પ્રતિબિંબિત થાય છે. એક અપવાદ એ છે કે ભૂ-ચુંબકીય ક્ષેત્ર રેખાઓ સાથે વીજળીના સંકેતોનો સીટી વગાડવો. વીએલએફ તરંગોની તરંગલંબાઇ (10-100 કિમી) પહેલેથી જ આયનોસ્ફેરિક ડી-સ્તર (દિવસ દરમિયાન લગભગ 70 કિમી અને રાત દરમિયાન 90 કિમી) ની ઊંચાઈ સાથે તુલનાત્મક છે. તેથી, કિરણ સિદ્ધાંત માત્ર ટૂંકા અંતર પરના પ્રસાર માટે લાગુ પડે છે, જ્યારે મોડ સિદ્ધાંતનો ઉપયોગ મોટા અંતર માટે થવો જોઈએ. પૃથ્વીની સપાટી અને આયનોસ્ફેરિક ડી-સ્તર વચ્ચેનો વિસ્તાર આમ વીએલએફ-અને ઇએલએફ-તરંગો માટે વેવગાઇડની જેમ વર્તે છે. આયનોસ્ફેરિક પ્લાઝ્મા અને ભૂ-ચુંબકીય ક્ષેત્રની હાજરીમાં, વિદ્યુતચુંબકીય તરંગો એ આવર્તન માટે અસ્તિત્વ ધરાવે છે જે આયનોની જાઇરોફ્રિક્વન્સી (લગભગ 1 હર્ટ્ઝ) કરતા મોટી હોય છે. જાઇરોફ્રિક્વન્સી કરતા ઓછી આવર્તન ધરાવતા તરંગોને હાઇડ્રોમેગ્નેટિક તરંગો કહેવામાં આવે છે. સેકન્ડથી મિનિટના સમયગાળા સાથેના ભૂચુંબકીય ધબકારા તેમજ આલ્ફવેન તરંગો તે પ્રકારના તરંગોના છે. ટ્રાન્સફર ફંક્શન ટૂંકા ઊભી લાકડીના એન્ટેનાનો પ્રોટોટાઇપ એ ઊભી ઇલેક્ટ્રિક હર્ટ્ઝ દ્વિધ્રુવ છે જેમાં આવર્તન f ના વૈકલ્પિક વિદ્યુત પ્રવાહો વહે છે. પૃથ્વી-આયનોસ્ફેરિક વેવગાઇડની અંદર તેના વિદ્યુતચુંબકીય તરંગોના કિરણોત્સર્ગને ટ્રાન્સફર ફંક્શન T (ρ, ω) દ્વારા વર્ણવી શકાય છેઃ જ્યાં Ez એ ટ્રાન્સમીટરથી ρ અંતરે રીસીવર પર વિદ્યુત ક્ષેત્રનો ઊભી ઘટક છે, Eo એ મુક્ત અવકાશમાં હર્ટ્ઝિયન દ્વિધ્રુવનું વિદ્યુત ક્ષેત્ર છે, અને કોણીય આવર્તન છે. મુક્ત જગ્યામાં, તે છે. દેખીતી રીતે, પૃથ્વી-આયનોસ્ફિયર વેવગાઇડ વિખેરાય છે કારણ કે ટ્રાન્સફર કાર્ય આવર્તન પર આધારિત છે. આનો અર્થ એ છે કે તરંગોનો તબક્કો અને જૂથ વેગ આવર્તન પર આધારિત છે. રે સિદ્ધાંત વી. એલ. એફ. શ્રેણીમાં, સ્થાનાંતરણ કાર્ય એ ગ્રાઉન્ડ વેવનો સરવાળો છે જે સીધા રીસીવર પર પહોંચે છે અને આયનોસ્ફેરિક ડી-સ્તર પર પ્રતિબિંબિત મલ્ટીહોપ સ્કાય વેવ્સ (આકૃતિ 1). વાસ્તવિક પૃથ્વીની સપાટી માટે, જમીનનું તરંગ વિખેરાઈ જાય છે અને તે કિરણોના માર્ગની ઓરોગ્રાફી પર આધાર રાખે છે. ટૂંકા અંતર પર વી. એલ. એફ. તરંગો માટે, જોકે, આ અસર નજીવી મહત્વની છે, અને પ્રથમ અંદાજમાં પૃથ્વીનું પ્રતિબિંબ પરિબળ છે. ટૂંકા અંતર પર, માત્ર પ્રથમ હોપ સ્કાય વેવ મહત્વનું છે. ડી-સ્તરને ચુંબકીય દિવાલ () દ્વારા વર્ચ્યુઅલ ઊંચાઈ એચ પર નિશ્ચિત સીમા સાથે અનુકરણ કરી શકાય છે, જેનો અર્થ થાય છે પ્રતિબિંબ બિંદુ પર 180° નો ફેઝ જમ્પ. વાસ્તવમાં, ડી-સ્તરની ઇલેક્ટ્રોન ઘનતા ઊંચાઈ સાથે વધે છે, અને આકૃતિ 2 માં બતાવ્યા પ્રમાણે તરંગ બંધાયેલ છે. જો જમીન અને પ્રથમ આકાશ તરંગના કિરણોના માર્ગો વચ્ચેનો તફાવત અડધી તરંગલંબાઇ (અથવા 180°નો તબક્કાનો તફાવત) હોય તો ગ્રાઉન્ડ વેવ અને ફર્સ્ટ હોપ વેવનો સરવાળો ઇન્ટરફિયરન્સ મિનિમા સાથે ઇન્ટરફિયરન્સ પેટર્ન દર્શાવે છે. જમીન તરંગ અને પ્રથમ આકાશ તરંગ વચ્ચે જમીન પર છેલ્લો હસ્તક્ષેપ લઘુત્તમ (z = 0) પ્રકાશના વેગ c સાથે આડા અંતરે છે. આકૃતિ 3 ના ઉદાહરણમાં, આ લગભગ 500 કિમીના અંતરે છે. વેવ મોડ થિયરી વી. એલ. એફ. તરંગોના કિરણોના પ્રસારનો સિદ્ધાંત મોટા અંતર પર તૂટી જાય છે કારણ કે આ તરંગોના સરવાળામાં ક્રમિક મલ્ટીહોપ સ્કાય તરંગો સામેલ હોય છે, અને સરવાળો અલગ પડે છે. વધુમાં, ગોળાકાર પૃથ્વીને ધ્યાનમાં લેવી જરૂરી બને છે. મોડ થિયરી જે પૃથ્વી-આયનોસ્ફિયર વેવગાઇડમાં આઈગન-મોડનો સરવાળો છે તે અંતરની આ શ્રેણીમાં માન્ય છે. તરંગ સ્થિતિઓમાં તેમના ઊભી વિદ્યુત ક્ષેત્ર ઘટકોની ઊભી રચનાઓ હોય છે, જેમાં નીચે મહત્તમ કંપનવિસ્તાર હોય છે અને તરંગ માર્ગદર્શિકાની ટોચ પર શૂન્ય કંપનવિસ્તાર હોય છે. મૂળભૂત પ્રથમ સ્થિતિના કિસ્સામાં, તે એક ચતુર્થાંશ તરંગલંબાઇ છે. ઘટતી આવર્તન સાથે, કટઓફ આવર્તન પર આઈગન વેલ્યુ કાલ્પનિક બની જાય છે, જ્યાં સ્થિતિ અવિકસિત તરંગમાં બદલાય છે. પ્રથમ સ્થિતિ માટે, આ ત્યારે થાય છે કે જેની નીચે તે સ્થિતિ પ્રચાર નહીં કરે (આકૃતિ 4). સ્થિતિઓનું ક્ષીણન તરંગ સંખ્યા n સાથે વધે છે. તેથી, અનિવાર્યપણે તરંગ પ્રસારમાં ફક્ત પ્રથમ બે સ્થિતિઓ જ સામેલ હોય છે. આ બે સ્થિતિઓ વચ્ચેની પ્રથમ લઘુત્તમ દખલ બંને સિદ્ધાંતોની સમાનતા સૂચવતી રે થિયરી () ની છેલ્લી દખલના સમાન અંતરે હોય છે. આકૃતિ 3 માં બતાવ્યા પ્રમાણે, સ્થિતિ દખલ મિનિમા વચ્ચેનું અંતર સ્થિર છે અને આ ઉદાહરણમાં લગભગ 1000 કિમી છે. પ્રથમ મોડ લગભગ 1500 કિમી કરતા વધુ અંતર પર પ્રબળ બને છે, કારણ કે બીજો મોડ પ્રથમ મોડ કરતાં વધુ મજબૂત રીતે ક્ષીણ થાય છે. ઇએલએફ તરંગોની શ્રેણીમાં, માત્ર સ્થિતિ સિદ્ધાંત યોગ્ય છે. મૂળભૂત સ્થિતિ શૂન્ય સ્થિતિ છે (આકૃતિ 4). ડી-સ્તર અહીં વિદ્યુત દિવાલ (રી = 1) બની જાય છે. તેની ઊભી રચના માત્ર ઊંચાઈ સાથે ઊભી વિદ્યુત ક્ષેત્ર અચળાંક છે. ખાસ કરીને, એવા તરંગો માટે પ્રતિધ્વનિ શૂન્ય સ્થિતિ અસ્તિત્વમાં છે જે પૃથ્વીના પરિઘનો અભિન્ન ભાગ છે અને પૃથ્વીની ત્રિજ્યા સાથે આવર્તન ધરાવે છે. પ્રથમ પ્રતિધ્વનિ શિખરો 7.5,15 અને 22,5 હર્ટ્ઝ પર છે. આ શુમેન પડઘો છે. વીજળીના વર્ણપટ સંકેતો તે આવૃત્તિઓ પર વિસ્તૃત થાય છે. વેવગાઇડ લાક્ષણિકતાઓ ઉપરોક્ત ચર્ચા માત્ર સ્થિતિ અને કિરણોત્સર્ગ સિદ્ધાંતનું સરળ ચિત્ર સમજાવે છે. વધુ વિગતવાર સારવાર માટે મોટા કોમ્પ્યુટર પ્રોગ્રામની જરૂર પડે છે. ખાસ કરીને, વેવગાઇડની આડી અને ઊભી એકરૂપતાની સમસ્યાનું સમાધાન કરવું મુશ્કેલ છે. પૃથ્વીના વળાંકની અસર એ છે કે, એન્ટીપોડની નજીક ક્ષેત્રની શક્તિ સહેજ વધે છે. પૃથ્વીના ચુંબકીય ક્ષેત્રના પ્રભાવને કારણે, માધ્યમ અનિસોટ્રોપિક બની જાય છે જેથી વાસ્તવિકતામાં આયનોસ્ફેરિક પ્રતિબિંબ પરિબળ એક મેટ્રિક્સ હોય. આનો અર્થ એ છે કે આયનોસ્ફેરિક ડી-સ્તર પર પ્રતિબિંબ પછી ઊભી ધ્રુવીકૃત ઘટના તરંગ ઊભી અને આડી ધ્રુવીકૃત તરંગ સાથે વાતચીત કરે છે. વધુમાં, ભૂ-ચુંબકીય ક્ષેત્ર વી. એલ. એફ. તરંગોની બિન-પારસ્પરિકતાને જન્મ આપે છે. પૂર્વથી પશ્ચિમ તરફ ફેલાતા તરંગો તેનાથી વિપરીત કરતાં વધુ મજબૂત રીતે ક્ષીણ થાય છે. ઓછામાં ઓછા ઊંડા હસ્તક્ષેપના અંતરની નજીક એક તબક્કો સરકી રહ્યો હોય તેવું લાગે છે. સૂર્યોદય અને/અથવા સૂર્યાસ્તના સમય દરમિયાન, પ્રથમ આકાશ તરંગની અપરિવર્તનીય વર્તણૂકને કારણે કેટલીકવાર 360 ડિગ્રીનો તબક્કો લાભ અથવા નુકસાન થાય છે. પૃથ્વી-આયનોસ્ફેરિક વેવગાઇડની વિખેરાઈ લાક્ષણિકતાઓનો ઉપયોગ 10000 કિ. મી. ના અંતર સુધીના નજીકના આવર્તન પર વીજળીના સંકેતો (સ્ફેરિક) ના જૂથ સમય વિલંબના તફાવતને માપવા દ્વારા વાવાઝોડાની પ્રવૃત્તિને શોધવા માટે થઈ શકે છે. શુમેન પ્રતિધ્વનિ વૈશ્વિક વીજળીની પ્રવૃત્તિને નિર્ધારિત કરવાની મંજૂરી આપે છે. આલ્ફવેન રેઝોનેટર એટમોસ્ફેરિક ડક્ટ શોર્ટવેવ રેડિયો સ્કાયવેવ ટ્રોપોસ્ફેરિક ડક્ટિંગ સંદર્ભો અને નોંધો પણ જુઓ.