URSI-TÜRKİYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
HF Haberleşme için İyonosferin Neden Olduğu Doppler Kaymasının
İncelenmesi
Gizem Arı ve Cenk Toker
Hacettepe Üniversitesi, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü, Beytepe, 06800 Ankara
[email protected], [email protected]
Özet: Bu çalışmada, IRI-Plas modeli kullanılarak Türkiye üzerinde seçilen koordinat için, belirlenen tarihte
Doppler kaymasının gün içinde değişimi incelenmektedir. Doppler kayması 5 MHz, 6 MHz, 7 MHz, 8 MHz ve 9
MHz plazma frekansı için incelenmiş ve gün içindeki değişimi gözlenmiştir.
Abstract: In this sudy, it is observed that the change in Doppler shift in the days of the date specified for
various coordinates selected on Turkey using IRI-Plas model. Doppler shift is investigated for plasma
frequencies 5 MHz, 6 MHz, 7 MHz, 8 MHz ve 9 MHz and its variability through out the days is observed.
1. Giriş
İyonosfer, Güneş ışınları tarafından iyonize olmuş, elektron yoğunluğunun yüksek olduğu, radyo dalgalarının
yayılımını etkileyen, atmosferin üst katmanıdır. Yeryüzünden yaklaşık 80 km yükseklikte başlar ve kesin sınırlar
olmamakla birlikte üst limiti yaklaşık 2000 km’dir. İyonosfer’deki elektron yoğunluğu yerel zamana, yüksekliğe,
enleme, güneş patlamalarına ve jeomanyetik aktivitelere göre değişim gösterir.
International Reference Ionosphere (IRI) [1], iyonosferdeki yükseklik-elektron yoğunluğu başta olmak üzere
iyonosferle ilgili pek çok parametreyi sunabilen ampirik bir modeldir. IRI modeli girilen coğrafi koordinat, tarih
ve saat bilgileri için, aylık ortalamalar göz önünde bulundurularak, elektron yoğunluğu, iyon bileşimi, iyon ve
elektron sıcaklığı, toplam serbest elektron miktarını (TEİ) verir.
Şekil 1’de IRI modelinden alınan yükseklik-elektron yoğunluğu profiline göre 15 Nisan 2013 tarihinde
Ankara’nın tepe noktasında yerel saate göre saat 06:00, 12:00, 18:00 ve 00:00’da gözlenen plazma frekansına
karşılık ilgili iyonosfer katmanının yükseklik grafikleri verilmiştir. Örneğin, 5 MHz plazma frekansına sahip
bölgenin yüksekliği incelendiğinde Şekil 1 (a)’da saat 06:00’da bu bölgenin yüksekliğinin 184 km; Şekil 1
(b)’de saat 12:00’de 163 km; Şekil 1 (c)’de saat 18:00’de 265 km; Şekil 1 (d)’de saat 00:00’de 308 km olduğu
görülebilir. Böylece iyonosferin hareketli olduğu ve belirli bir yoğunluktaki katmanın gün içinde yükselip
alçaldığı sonucu ortaya çıkar.
URSI-TÜRKİYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
(a)
(b)
(c)
(d)
Şekil 1. Ankara’da 15 Nisan 2013 tarihinde (a) saat 06:00’da, (b) saat 12:00’de, (c) saat 18:00’de, (d) saat
00:00’da plazma frekansına karşılık yükseklik grafikleri.
Şekil 2’de IRI modelinden alınan verilere göre Ankara’da 15 Nisan 2013 tarihinde bir gün içinde 5 MHz, 6
MHz, 7 MHz, 8 MHz, 9 MHz plazma frekansları için iyonosfer katman yüksekliğinin yerel saate göre değişimi
verilmiştir. Buna göre Doppler kayması hesaplanacaktır.
Şekil 2. 15 Nisan 2013 tarihinde Ankara’da 5 MHz, 6 MHz, 7 MHz, 8 MHz, 9 MHz plazma frekansları için
iyonosfer yüksekliğinin zamana göre değişimi.
Yerden iyonosfere, tepe noktasına doğru gönderilen bir radyo sinyali, bu sinyalin taşıyıcı frekansının, elektron
yoğunluğunun belirlediği plazma frekansına eşitlendiği yüksekliğe kadar ilerledikten sonra yer yüzüne geri
yansır.
Bu durum yukarıda belirtilen gözlemle birleştiğinde, iyonosferden yansıyan bir radyo sinyalinin Doppler
kaymasına maruz kalacağı açıktır [2]. Benzer bir kayma iyonosfere eğik gönderilen radyo dalgaları için de
geçerlidir, ancak en yüksek Doppler kayması tepe noktasında gözlendiği için bu çalışma tepe noktasında
gözlenen Doppler kayması ile sınırlandırılmıştır.
URSI-TÜRKİYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
2. Doppler Kaymasının Hesaplanması
Doppler kayması bir haberleşme sistemi için önemli bozucu etkilerden biridir. Doppler kaymasının bulunması
için öncelikle IRI-Plas modeli kullanılarak ilgili plazma frekansına karşılık gelen katman yüksekliğinin aşağı
veya yukarı doğrultudaki hızını gösteren grafik elde edilmiştir. Şekil 3’ te 15 Nisan 2013 tarihinde Ankara’da 5
MHz, 6 MHz, 7 MHz, 8 MHz, 9 MHz plazma frekansları için katman yüksekliğinin aşağı veya yukarı
doğrultudaki hızını gösteren grafik verilmiştir. Bunu takiben, Denklem 1’de tepe noktasına doğru gönderilen ve
iyonosfere çarpıp geri yansıyan bir dalganın maruz kalacağı Doppler kayması hesaplanmıştır.
ν = 2(v/c)fTx
(1)
Burada ν Doppler kaymasını, v katmanın yere göreceli hızını, c ışık hızını, fTx ise gönderilen dalganın frekansını
ifade etmektedir. Şekil 4’te 15 Nisan 2013 tarihinde Ankara’da 5 MHz, 6 MHz, 7 MHz, 8 MHz, 9 MHz plazma
frekansları için meydana gelen Doppler kaymasının yerel saate göre değişimi verilmektedir.
Şekil 3. 15 Nisan 2013 tarihinde Ankara’da katman
yüksekliğinin aşağı veya yukarı doğrultudaki hızı.
Şekil 4. 15 Nisan 2013 tarihinde Ankara’da
5 MHz, 6 MHz, 7 MHz, 8 MHz, 9 MHz
plazma frekansları için meydana gelen
Doppler kaymasının yerel saate göre
değişimi.
3. Sonuçlar
Sabahları güneşin doğup iyonlaşmanın artması ile birlikte iyonosfer tabakaları alçalmakta ve tipik olarak pozitif
Doppler kaymasına neden olmaktadır, öğle saatlerinde tabakaların yüksekliğinin sabit kalması ile birlikte
Doppler kayması miktarı da 0 Hz civarında seyretmektedir. Akşam saatlerinde güneşin batması ile iyonlaşma
azalmakta, iyonosfer tabakaları yükselmeye başlamakta, dolayısıyla negatif Doppler kayması ortaya çıkmaktadır.
Gece saatlerinde, tabakaların yüksekliğinin sabit kalması ile birlikte Doppler kayması miktarı da 0 Hz civarında
seyretmektedir. En yüksek Doppler kayması miktarları güneşin doğmasından ve batmasından hemen sonraki
saatlerde gözlenmektedir, incelenen koordinat ve saatlerde, Türkiye üzerindeki en yüksek Doppler kayması 0.5
Hz mertebesinde gözlenmiştir.
4. Referanslar
[1]. Gulyaeva, T.L., F. Arikan, M. Hernandez-Pajares, I. Stanislawska. GIM-TEC adaptive ionospheric weather
assessment and forecast system. J. Atmosph. Solar-Terr. Phys., 102, 329-340, doi:10.1016/j.jastp.2013.06.011,
2013.
[2]. Nicholas Maslin, HF Communications: A Systems Approach, CRC Press, 1987
Download

146