Radio och navigationssystem

Jonosfären påverkar radiosignaler från t.ex. olika kommunikationssystem och navigationssystem. Störningen är beroende av signalens frekvens. Signaler med en frekvens under ca 30 MHz, s.k. kortvågskommunikation, reflekteras i de olika jonosfärsskikten, vilket tillåter radiokommunikation över långa avstånd. Det är den s.k. plasmafrekvensen, relaterad till elektrontätheten, som sätter en övre gräns för reflektion av radiovågorna. Signaler som innehåller frekvenser över 30 MHz passerar däremot genom jonosfären, vilket utnyttjas för kommunikation med satelliter och andra rymdfarkoster.

Emellanåt ökar jonisationen kraftigt från soleruptioner, SPEs och geomagnetiska stormar. Frekvenser mellan ca 2 till 30 MHz påverkas av ökad absorption. Signaler med högre frekvens kan påverkas av störningar. Som ett exempel, TV och FM radio (VHF) påverkas sällan av solaktiviteten och därmed av förändringar i jonosfären. Kortvågskommunikation (HF) med flygplan, fartyg, amatörradio etc. påverkas däremot betydligt oftare. Kortvågskommunikationen är beroende av parametrarna maximum usable frequency (MUF) och lowest usable frequency (LUF). MUF beräknas utifrån den s.k. kritiska frekvensen samt vinkeln för den utgående radiosignalen. Den kritiska frekvensen är den högsta frekvens som en radiovåg kan ha för att reflekteras i jonosfären om den skickas rakt upp (ungefär 108 Hz). Denna är i sin tur beroende av elektrontätheten i F-skiktet. LUF bestäms av andelen radiovågor som absorberas i de lägre D- och E-skikten.

I samband med en soleruption ökar röntgenstrålningen kraftigt vilket leder till en ökad jonisation i de lägre skikten av jonosfären på den solbelysta delen av jorden. Både kortvåg och långvåg påverkas. Beroende på utbrottets styrka kan störningarna vara från minuter till timmar. Dessutom produceras ett brett spektrum av radiovågor som direkt stör ut den producerade signalen. Plasmafrekvensen ökar så att signaler med högre frekvens reflekteras.

Jonisation sker även från högenergetiska partiklar. Under en s.k. polar cap absorption, eller PCA, ökar jonisationen i polarområdet och kan vara i flera dagar till veckor beroende på strålningsutbrottets styrka. Under en sådan händelse är det ibland omöjligt att kommunicera via kortvåg i polarområdena. Koronamassutkastningar, och den snabba solvinden från koronahål, leder ofta till störningar på radiosignaler, framförallt runt norrskensovalen.

En geomagnetisk storm påverkar HF-kommunikation främst på högre lattituder, till skillnad från en soleruption som kan påverka kommunikationen på alla lattituder. Det finns även områden i jonosfären, t.ex. polarområdena, och kort efter solnedgång, då jonosfären är mer turbulent. Denna småskaliga turbulens leder till slumpmässig spridning av radiovågorna och därmed till fluktuationer, s.k. jonosfärisk scintillation, i signalen.

Mobiltelefon-kommunikation kan störas av s.k. solar radio bursts. Graden av störning beror på antennernas riktning. Eftersom dessa är horisontellt riktade kan de fånga upp radiovågorna, framförallt under morgon- eller kvällstimmarna, då solen står lågt på himlen. Om uteffekten från mobiltelefonerna minskar i framtiden, kan störningarna eventuellt öka.

Kraven på bättre navigationssystem har ökat i takt med teknologiska framsteg, fler transporter och att fler människor reser. Vanliga navigationssystem är t.ex. Loran-C, Omega och GPS. Navigationssystem kan delas in i landbaserade och rymdbaserade navigationssystem. Till landbaserade system räknas bl.a. Loran-C och Omega. De använder sig av radiosignaler runt 100 kHz och 10 kHz som går längs marken samt reflekteras i jonosfären. Båda dessa system påverkas av förhållanden i D- och E-skiktet. Idag används fortfarande både Loran-C och GPS, men inte Omega.

I takt med att flyget, och senare rymdfarten, utvecklades blev det även viktigt med ett tre-dimensionellt positionssystem. Fördelen med ett rymdbaserat system är att användaren kan få en detaljerad position i realtid; lattitud, longitud och höjd, och till skillnad från landbaserade system ger satelliter bättre täckning. GPS bestämmer positionen genom tre mätningar: avståndet mellan en känd satellit och markmottagaren, tid för signalen att färdas från satelliten till mottagaren samt signalens hastighet. Scintillationer medför en fade in eller fade out av signalen så att mottagaren tappar låsning på signalen, eller så kan GPS-signalen färdas något långsammare, pga ökad elektrontäthet i jonosfären, så att posistionen blir felaktig. Förbättringar av GPS har genomförts genom införandet av ett två-signals GPS, DGPS (differential global positioning system), som har en betydligt bättre noggrannhet. GPS-systemet består av totalt 24 satelliter. Till skillnad från markbaserade system så använder GPS (GHz) radiosignaler som passerar jonosfären. GPS påverkas inte så mycket av förändringar i jonosfären på grund av soleruptioner, utan istället av den totala elektrontätheten, TEC (total electron content), i jonosfären längs med signalvägen under en geomagnetisk storm. Under perioden 29-30 oktober, 2003, var störningarna på det s.k. WAAS-systemet så stora att höjdfelet översteg 50 meter.

För att spara tid och pengar har en del flygbolag börjat flyga över polerna, som t.ex. sträckan London – Hong Kong, eller New York – Singapore. I början av sträckan används vanligtvis VHF (30-300 MHz), men senare, i polarområdet, växlar man till HF (3-30 MHz). Satellitkommunikation (SATCOM) används, men mest som backup. Dessutom kan SATCOM endast användas upp till 82:a breddgraden. En solstorm kan medföra att piloterna får radiostörningar, högre strålning för människor och elektronik samt störningar på navigationssystemet. På grund av dessa effekter måste flygbolagen ibland välja en sydligare rutt vilket i sin tur medför ökade kostnader. Under perioden 26 oktober – 5 november, 2003, upplevde flygkontrollen, varje dag, störningar från “minor” till “severe”. Flera flygningar fick läggas om till sydligare rutter så att SATCOM kunde användas. Ett annat problem för flyget är satellitnavigation. Man planerar att använda DGPS för att minska separationen mellan flygplanen samt för landning. I USA finns ett förbättrat system, WAAS, som kan korrigera felberäkningar för GPS-positioner i flygplan. I europa finns ett motsvarande system kallat EGNOS.