Earth–ionosphere waveguide
पृथ्वी-आयनोस्फेयर वेवगाइड उस घटना को संदर्भित करता है जिसमें कुछ रेडियो तरंगें जमीन और आयनोस्फेयर की सीमा के बीच की जगह में फैल सकती हैं। क्योंकि आयनमंडल में आवेशित कण होते हैं, यह एक संवाहक के रूप में व्यवहार कर सकता है। पृथ्वी एक ग्राउंड प्लेन के रूप में कार्य करती है, और परिणामी गुहा एक बड़े वेवगाइड के रूप में व्यवहार करती है। इस वेवगाइड में बेहद कम आवृत्ति (ईएलएफ) (<3 किलोहर्ट्ज़) और बहुत कम आवृत्ति (वीएलएफ) (3-30 किलोहर्ट्ज़) संकेत कुशलता से प्रसारित हो सकते हैं। उदाहरण के लिए, बिजली गिरने से रेडियो वायुमंडल नामक एक संकेत निकलता है, जो कई हज़ार किलोमीटर की यात्रा कर सकता है, क्योंकि वे पृथ्वी और आयनमंडल के बीच सीमित हैं। वेवगाइड की गोल-द-वर्ल्ड प्रकृति एक गुहा की तरह अनुनाद उत्पन्न करती है, जो ~ 7 हर्ट्ज पर होती है। परिचय आयनमंडल के भीतर रेडियो प्रसार आवृत्ति, घटना के कोण, दिन के समय, मौसम, पृथ्वी के चुंबकीय क्षेत्र और सौर गतिविधि पर निर्भर करता है। ऊर्ध्वाधर आपतन पर, एफ-परत अधिकतम (इलेक्ट्रॉन घनत्व में) की इलेक्ट्रॉन प्लाज्मा आवृत्ति (हर्ट्ज में) से बड़ी आवृत्तियों वाली तरंगें आयनमंडल के माध्यम से लगभग निर्बाध रूप से फैल सकती हैं। आयनोस्फेरिक डी-, ई-, और एफ-परतों के भीतर कम आवृत्तियों वाली तरंगें परावर्तित होती हैं। दिन के समय की स्थितियों के दौरान 8-15 MHz के क्रम का होता है। तिरछी घटना के लिए, महत्वपूर्ण आवृत्ति बड़ी हो जाती है। आयनोस्फेरिक डी-और निचली ई-परत पर बहुत कम आवृत्तियाँ (वीएलएफः 3-30 किलोहर्ट्ज़) और बेहद कम आवृत्तियाँ (ईएलएफः <3 किलोहर्ट्ज़) परावर्तित होती हैं। एक अपवाद भू-चुंबकीय क्षेत्र रेखाओं के साथ बिजली के संकेतों का सीटी बजाना है। वी. एल. एफ. तरंगों (10-100 कि. मी.) की तरंग दैर्ध्य पहले से ही आयनोस्फेरिक डी-परत (दिन के दौरान लगभग 70 कि. मी. और रात के दौरान 90 कि. मी.) की ऊंचाई के साथ तुलनीय है। इसलिए, किरण सिद्धांत केवल कम दूरी पर प्रसार के लिए लागू होता है, जबकि मोड सिद्धांत का उपयोग बड़ी दूरी के लिए किया जाना चाहिए। पृथ्वी की सतह और आयनोस्फेरिक डी-परत के बीच का क्षेत्र इस प्रकार वीएलएफ-और ईएलएफ-तरंगों के लिए एक तरंग-मार्गदर्शक की तरह व्यवहार करता है। आयनोस्फेरिक प्लाज्मा और भू-चुंबकीय क्षेत्र की उपस्थिति में, विद्युत चुम्बकीय तरंगें उन आवृत्तियों के लिए मौजूद होती हैं जो आयनों की जाइरोफ्रीक्वेंसी (लगभग 1 हर्ट्ज) से बड़ी होती हैं। जायरोफ्रीक्वेंसी से छोटी आवृत्ति वाली तरंगों को जलचुम्बकीय तरंग कहा जाता है। सेकंड से मिनट की अवधि के साथ-साथ अल्फवेन तरंगों के साथ भू-चुंबकीय स्पंदन उस प्रकार की तरंगों से संबंधित हैं। स्थानांतरण कार्य एक छोटे ऊर्ध्वाधर रॉड एंटीना का प्रोटोटाइप एक ऊर्ध्वाधर विद्युत हर्ट्ज द्विध्रुव है जिसमें आवृत्ति f की विद्युत प्रत्यावर्ती धाराएँ प्रवाहित होती हैं। पृथ्वी-आयनोस्फेरिक वेवगाइड के भीतर विद्युत चुम्बकीय तरंगों के इसके विकिरण को एक स्थानांतरण कार्य T (ρ, ω) द्वारा वर्णित किया जा सकता हैः जहां Ez ट्रांसमीटर से ρ की दूरी पर रिसीवर पर विद्युत क्षेत्र का ऊर्ध्वाधर घटक है, Eo मुक्त स्थान में एक हर्ट्ज़ियन द्विध्रुव का विद्युत क्षेत्र है, और कोणीय आवृत्ति है। खाली स्थान में, यह है। स्पष्ट रूप से, पृथ्वी-आयनोस्फेयर वेवगाइड फैलाव है क्योंकि स्थानांतरण कार्य आवृत्ति पर निर्भर करता है। इसका मतलब है कि तरंगों का चरण और समूह वेग आवृत्ति पर निर्भर है। रे सिद्धांत वी. एल. एफ. सीमा में, स्थानांतरण कार्य एक जमीनी तरंग का योग है जो सीधे रिसीवर पर पहुँचती है और आयनोस्फेरिक डी-परत (चित्र 1) पर परावर्तित मल्टीहॉप आकाश तरंगें। वास्तविक पृथ्वी की सतह के लिए, जमीनी तरंग विघटित हो जाती है और किरण पथ के साथ ऑरोग्राफी पर निर्भर करती है। कम दूरी पर वी. एल. एफ. तरंगों के लिए, हालांकि, यह प्रभाव मामूली महत्व का है, और पृथ्वी का परावर्तन कारक, पहले अनुमान में है। कम दूरी पर, केवल पहली हॉप स्काई वेव महत्वपूर्ण है। डी-परत को एक आभासी ऊँचाई एच पर एक निश्चित सीमा के साथ एक चुंबकीय दीवार () द्वारा अनुकरण किया जा सकता है, जिसका अर्थ है परावर्तन बिंदु पर 180° की चरण कूद। वास्तव में, डी-परत का इलेक्ट्रॉन घनत्व ऊंचाई के साथ बढ़ता है, और लहर बंधी हुई है जैसा कि चित्र 2 में दिखाया गया है। यदि जमीन और पहली आकाश लहर के किरण पथों के बीच का अंतर आधा तरंग दैर्ध्य (या 180° का चरण अंतर) है तो ग्राउंड वेव और फर्स्ट हॉप वेव का योग हस्तक्षेप मिनीमा के साथ एक हस्तक्षेप पैटर्न प्रदर्शित करता है। भूमि तरंग और पहली आकाश तरंग के बीच भूमि पर अंतिम हस्तक्षेप न्यूनतम (z = 0) c प्रकाश के वेग के साथ क्षैतिज दूरी पर है। चित्र 3 के उदाहरण में, यह लगभग 500 कि. मी. की दूरी पर है। वेव मोड सिद्धांत वी. एल. एफ. तरंगों के किरण प्रसार का सिद्धांत बड़ी दूरी पर टूट जाता है क्योंकि इन तरंगों के योग में क्रमिक मल्टीहॉप आकाश तरंगें शामिल होती हैं, और योग अलग हो जाता है। इसके अलावा, गोलाकार पृथ्वी को ध्यान में रखना आवश्यक हो जाता है। मोड सिद्धांत जो पृथ्वी-आयनोस्फेयर वेवगाइड में आइगेन-मोड का योग है, दूरी की इस सीमा में मान्य है। तरंग मोड में उनके ऊर्ध्वाधर विद्युत क्षेत्र घटकों की ऊर्ध्वाधर संरचनाएं होती हैं, जिनमें नीचे अधिकतम आयाम होते हैं और वेवगाइड के शीर्ष पर शून्य आयाम होते हैं। मौलिक प्रथम मोड के मामले में, यह एक चौथाई तरंग दैर्ध्य है। घटती आवृत्ति के साथ, कटऑफ आवृत्ति पर आइगेनवैल्यू काल्पनिक हो जाता है, जहां मोड एक अविकसित तरंग में बदल जाता है। पहले मोड के लिए, यह होता है जिसके नीचे वह मोड प्रसारित नहीं होगा (चित्र 4)। मोड का क्षीणन तरंग संख्या n के साथ बढ़ता है इसलिए, अनिवार्य रूप से केवल पहले दो मोड तरंग प्रसार में शामिल हैं इन दोनों मोड के बीच पहला न्यूनतम हस्तक्षेप किरण सिद्धांत () के अंतिम न्यूनतम हस्तक्षेप के समान दूरी पर है जो दोनों सिद्धांतों की समानता को दर्शाता है जैसा कि चित्र 3 में देखा गया है, मोड हस्तक्षेप मिनीमा के बीच का अंतर स्थिर है और इस उदाहरण में लगभग 1000 किमी है। पहला मोड लगभग 1500 किमी से अधिक की दूरी पर प्रमुख हो जाता है, क्योंकि दूसरा मोड पहले मोड की तुलना में अधिक दृढ़ता से क्षीण होता है। ई. एल. एफ. तरंगों की सीमा में, केवल मोड सिद्धांत उपयुक्त है। मौलिक मोड शून्य मोड है (चित्र 4)। डी-परत यहाँ एक विद्युत दीवार (री = 1) बन जाती है। इसकी ऊर्ध्वाधर संरचना केवल ऊंचाई के साथ एक ऊर्ध्वाधर विद्युत क्षेत्र स्थिरांक है। विशेष रूप से, उन तरंगों के लिए एक अनुनाद शून्य मोड मौजूद है जो पृथ्वी की परिधि का एक अभिन्न हिस्सा हैं और जिनकी आवृत्ति पृथ्वी की त्रिज्या के बराबर है। पहला अनुनाद शिखर 7.5,15 और 22,5 हर्ट्ज पर है। ये शूमन अनुनाद हैं। बिजली से आने वाले वर्णक्रमीय संकेतों को उन आवृत्तियों पर प्रवर्धित किया जाता है। वेवगाइड विशेषताएँ उपरोक्त चर्चा केवल मोड और किरण सिद्धांत की एक सरल तस्वीर को दर्शाती है। अधिक विस्तृत उपचार के लिए एक बड़े कंप्यूटर प्रोग्राम की आवश्यकता होती है। विशेष रूप से, वेवगाइड की क्षैतिज और ऊर्ध्वाधर समरूपता की समस्या को हल करना मुश्किल है। पृथ्वी की वक्रता का प्रभाव यह है कि एंटीपोड के पास क्षेत्र की ताकत थोड़ी बढ़ जाती है। पृथ्वी के चुंबकीय क्षेत्र के प्रभाव के कारण, माध्यम अनिसोट्रोपिक बन जाता है ताकि आयनोस्फेरिक परावर्तन कारक वास्तव में एक मैट्रिक्स हो। इसका मतलब है कि आयनोस्फेरिक डी-परत पर परावर्तन के बाद एक ऊर्ध्वाधर ध्रुवीकृत आपतित तरंग एक ऊर्ध्वाधर और क्षैतिज ध्रुवीकृत तरंग में परिवर्तित हो जाती है। इसके अलावा, भू-चुंबकीय क्षेत्र वी. एल. एफ. तरंगों की गैर-पारस्परिकता को जन्म देता है। पूर्व से पश्चिम की ओर फैलने वाली लहरें इसके विपरीत की तुलना में अधिक दृढ़ता से क्षीण होती हैं। न्यूनतम गहरे हस्तक्षेप की दूरी के पास एक चरण फिसलता हुआ दिखाई देता है। सूर्योदय और/या सूर्यास्त के समय, कभी-कभी पहली आकाश लहर के अपरिवर्तनीय व्यवहार के कारण 360 डिग्री का चरण लाभ या हानि होती है। पृथ्वी-आयनोस्फेरिक वेवगाइड की फैलाव विशेषताओं का उपयोग 10000 कि. मी. की दूरी तक आसन्न आवृत्तियों पर बिजली के संकेतों (स्फेरिक) के समूह समय विलंब के अंतर को मापकर आंधी गतिविधि का पता लगाने के लिए किया जा सकता है। शूमन अनुनाद वैश्विक बिजली गतिविधि को निर्धारित करने की अनुमति देते हैं। अल्फवेन अनुनादकर्ता वायुमंडलीय नलिका लघु तरंग रेडियो स्काईवेव ट्रोपोस्फेरिक नलिका संदर्भ और नोट्स उद्धरण विद्युत चुंबकत्व आयनमंडल रेडियो आवृत्ति प्रसार भी देखें।