REVONTULTEN RADIOHAVAINNOT

Terminologiaa:

• ELF: 3...30 kHz
• VLF: 30...300 kHz
• LF: 300 kHz...3 MHz
• HF: 3...30 MHz
• VHF: 30...300 MHz
• UHF: 300...3000 MHz
• Ionosfääri: Ilmakehän kerros, jossa on riittävästi vapaita ioneja ja elektroneja vaikuttamaan radioaallon kulkusuuntaan. Muodostunut lähinnä Auringon UV-säteilyn vaikutuksesta.
• D-kerros: Ionosfäärin elektronitihentymä n. 60 km korkeudessa
• E-kerros: Ionosfäärin elektronitihentymä n. 95 km korkeudessa
• F-kerros: Ionosfäärin elektronitihentymä n. 150 ja n. 300 km korkeudessa (F1 ja F2 päivällä)

Ensimmäiset radiohavainnot

Alunperin Multasen oli tarkoitus havaita flareja, mutta heti alkuun hänen huomionsa kiinnittyi öiseen aikaan tapahtuviin nopeisiin vaihteluihin. Häiriöt ilmenivät piirturikäyrässä nopeana sahauksena, jota esiintyi yleensä kolmena-neljänä yönä peräkkäin. Välillä oli aina pidempi tai lyhempi rauhallinen kausi. 

Kuusankoskelainen radioamatööri OH5IY, Ilkka Yrjölä on pyörittänyt keskeytyksettä (24 h/vrk!) meteorien radiomittauslaitteistoaan elokuusta 1993 alkaen. Radiorevontulihavaintoja on saatu Global-MS-Net meteoriprojektin sivutuotteena. Laitteistolla havaitaan n. 89 MHz taajuudella meteorisironnan avulla meteoriparvien aktiivisuuden vuotuisia vaihteluita ja outburst-ilmiöitä. Voimakas radioaurora peittää meteorisirontasignaalit ja keskeyttää meteorilaskennan. 

Revontuli-ilmiöiden pilaaman meteoridatan löytämiseksi on 1995 tammikuun puolivälistä ollut käytössä myös pelkästään radioauroran havaitsemiseen tarkoitettu laitteisto. Tämä laitteisto "kuuntelee" taajuutta 144.412 MHz, jolla lähettää ruotsalainen radiomajakka SK4MPI.
 

Radiohavaintoja VHF-taajuuksilla

VHF-taajuuksilla selvin revontuliin liittyvä radioaaltojen etenemisilmiö on koherentti takaisinsironta (Auroral backscatter), joka syntyy elektronien törmäillessä ilmamolekyyleihin E-kerroksen ionisaatiopilareissa, jotka syntyvät iono-akustisen aallon synnyttämänä n. 100 km korkeudella. VHF taajuuksilla heijastuksen aiheuttavat ionosfäärin epäsäännöllisyydet ovat kooltaan vain metriluokkaa, tai hieman suurempia. Näin on siitäkin huolimatta, että silmin katsoen koko pohjoistaivas voi olla revontuliverhon peittämä ja revontulien huiput ulottua satojen kilometrien korkeuksiin asti.

Radioaallon heijastuminen on hyvin riippuvainen sen tulokulmasta suhteessa magneettikentän vuoviivojen kulmaan (-10 dB/°). Näitä radioauroran muokkaamia oudonsihiseviä radiosignaaleita ihmeteltiin jo 40-luvulla Skotlannissa ja pohjoismaissa. Takaisinsirontasignaaleita havaitaan aina UHF-taajuuksille asti. Erikoisen Auroral-E (Thule-tyypin) etenemisen syyksi epäillään 10 keV elektronien putoamista maan magneettikentän napa-alueen nieluun ja keräytymistä kalottialueen yöpuolelle. Sitä ilmenee joskus tavallisen myöhäisillan radioauroran jälkeen, mutta signaalinvoimakkuus on yleensä kohtuullinen vain alemmilla VHF-taajuuksilla (30...70 MHz). 

Voimakkaita radioaurorasignaaleja havaitaan usein klo. 16.00 aikoihin paikallista aikaa (ns. iltapäivän radioaurora), jolle tyypillistä on signaalin voimakas Doppler-hajonta, joka syntyy radioaaltoja heijastavan elektronimassan yksittäisten elektronien gyraatiosta. Iltapäivän radioaurora syntyy Maan magneettisesta vaipasta tulevista primäärielektroneista. Noin klo. 21.00 tienoilla esiintyy nk. Harangin minimi, jolloin radioaurora hetkellisesti katoaa. Toinen esiintymismaksimi on puolenyön aikoihin, jolloin signaalin Doppler-hajonta on yleensä hieman vähäisempää ja radiosignaalit eivät saavuta iltapäivän huippuvoimakkuuksia. Radioauroraa havaitaan vähiten myöhään aamupäivällä. Radioaurorassa on havaittavissa myös Doppler-siirtymää, joka johtuu sähkökentän aiheuttamasta hiukkasmassan keskimääräisestä liikkeestä suhteessa lähettäjään ja vastaanottajaan. Koherentin takaisinsironnan spektrissä voi havainta voimakkaamissa häiriötiloissa kaksi selkeämpää huippua, jotka johtuvat eroista ei korkeuskerrosten sähkökenttien suunnissa ja voimakkuuksissa. Tyypilliset Doppler-liikenopeudet vaihtelevat -1000...+1000 m/s alueella.

VHF-taajuuksilla voidaan sopivilla valinnoilla haluttaessa välttää muu, kuin ionosfäärieteneminen. Niistäkin F2-kerroksen etenemistä ei ilmene yli 60 MHz taajuuksilla ja Es-etenemistä havaitaan satunnaisesti kesäkuukausina, joka taajuuden kasvaessa sekin vähenee. Eräässä mielessä radioauroran sukulaiset, magneettisen päiväntasaajan yli ilmenevä TE ja eteläisen Euroopan FAI eteneminen eivät täällä pohjoisessa vaikuta. Jäljelle jää siis käytännössä vain meteorisironta ja radioaurora. Radioaurora on havaittavissa myös HF-taajuuksilla, mutta koska muut ionosfääriset etenemismuodot (F2, Es) ovat HF:llä yleensä hallitsevia ja kohinatasokin on korkeampi, etenemismuotojen tulkinta varsinkin automaattisista mittauksista on huomattavasti vaikeampaa. 
 
 

Radioauroramajakka SK4MPI

Radiosignaaleiden etenemisteitä radioaurorassa
 

Radioauroraa on ollut selvin tapa ilmaista vastaanottamalla 144 MHz taajuusalueella takaisinsirontasignaaleita ruotsalaisesta SK4MPI majakasta. Kuusankoskella on käytetty 12-elementtistä Yagi-antennia ja kapeakaistaista FM-vastaanotinta ilmaisukynnyksen ollessa -125 dBm. Ilmaisu on kohinasalpapohjainen ja tietoa kerätään radioauroran esiintymisajoista. Radioauroraa havaitaan tiettyinä ilmiölle edullisina kelloaikoina K-indeksin noustessa arvoon 4 tai yli. Isokokoisilla antenneilla on 50 MHz taajuusalueella havaittu heikkoa radioauroraa, vaikka K indeksi on ollut 1 tai 2. 

Radiomajakka SK4MPI Keski-Ruotsissa, Borlängessä on alunperin Max-Planck-Instituutin 1970-luvulla revontulitutkimuksessa käyttämä, paikallisen radioamatöörin (SM4HFI) hoitama, Euroopan suuritehoisin jatkuvasti lähettävä radioamatöörimajakka SK4MPI. Majakan taajuus on ns. kahden metrin radioamatöörialueen majakkakaistalla 144.412 MHz (oli aiemmin 144.960 MHz). Majakan signaalia vastaanotettiin mm. Nurmijärven geofysikaalisella observatoriolla, mutta tutkimuskäytössä STARE-tutkapari korvasi sen 1970-luvun lopulla. STARE-tutka oli rahoituksen puutteessa päässyt rappiolle, mutta se on korjattu 1997 ja taas jatkuvasti toiminnassa taajuuksilla 143.800 MHz (FIN) ja 140.033 MHz (NOR). 
 

SK4MPI:n antennin suuntakuvio. Pohjoinen on ylös.
 

SK4MPI majakan päätarkoitus on ilmaista radioauroran olemassaolo. Säteilytehoa siinä on 1.5 kilowattia koilliseen ja luoteeseen. Lähete koostuu minuutin mittaisesta sanomakierrosta, jossa on kantoaaltoa katkovalla sähkötyksellä (CW, eli läheteluokka A1A) asematunnus ja ns. lokaattori. Niiden lähetykseen kuluu 15 sekuntia, loput 45 sekuntia on pelkkää kantoaaltoa. 

Kun radioauroraa ei ole, Kuusankoskella kuuluu silloin tällöin ainoastaan lyhyitä meteoriheijastuksia. Maamme keski- ja pohjoisosiin, varsinkin Pohjanmaalle majakka kuuluu troposfäärietenemisenä. Auroran aikana majakka kuuluu pohjoisen suunnalta takaisinsirontana revontulista. Signaalinvoimakkuus voi olla huipussaan vastaanottoantennista riippuen vaikkapa 20 dB yli pohjakohinan tason voimakkaan auroran aikana. Pienin mitattu radioauroran heijastusvaimennus on luokkaa 40 dB.
 

Tyypillinen radioaurorapäivä: ensin voimakas ja pitkä iltapäivän radioaurora ja yöllä toinen heikompi jakso revontulialimyrskyjen aikaan.

Vihreä käyrä indikoi SK4MPI:n signaalinvoimakkuutta Kuusankoskella mitattuna isolla antennilla ja vihreä jana ilmaisutason ylitystä pienellä antennilla. Punainen jana on ilmaisukynnyksen ylitysmerkki saksalaisesta 87 MHz:n Eurosignal-hakulaitelähetinverkosta ja syaani hollantilaisesta TV-asemasta 62 MHz:lla. Läntiset asemat kuuluvat hieman myöhemmin kuin SK4MPI lähempää Ruotsista.

Laitteistoksi vaaditaan tietysti vastaanotin kyseiselle 144.412 MHz taajuudelle ja signaalinvoimakkuuden mittausta varten ko. tieto on saatava vastaanottimesta ulos. Antenniksi riittää pieni, esim. 4-elementtinen Yagi, mutta suuremmalla voidaan mitata heikompiakin radioaurorasignaaleja. Havainnot olisi hyvä tehdä paikassa, jossa antennilla on kohtuullisen vapaa näkymä pohjoiseen, sekä mahdollisimman vähän radiotaajuisia häiriöitä ja muita voimakkaita 144 MHz lähetteitä. Radioaurorasignaalin voimakkuushan ei "olennaisesti" vaihtele sekunneittain, joten jos signaalinvoimakkuustietoa suodattaa parin minuutin aikavakiolla, se poistaa meteoripiikit ja asematunnuksen annon. Tiedon voi ajaa A/D-muuntimen kautta PC:lle ja tallettaa esim. keskiarvon 5 minuutin välein. Myös signaalin spektrin mittaamien voisi olla mielekästä siinä esiintyvien vaihteluiden johdosta.

ESIMERKKEJÄ RADIOAURORASIGNAALEISTA

SK4MPI radioamatööriauroramajakan spektrogrammi. 144.412 MHz, 14.11.1997. Puhdas ja kapea kantoaalto hajoaa auroran Doppler-ilmiön vuoksi kohinaksi.

WAV äänitiedosto

Spektrogrammi kahdesta TV-kantoaallosta taajuudella 49.76 MHz. Koska kantoaallon taajuus on alhaisempi, on myös Doppler-ilmiön vaikutus vähäisempi. Kantoaaltojen hidas taajuusheilahtelu on kotoisin lähettimistä, se ei ole auroran aiheuttamaa. Nopea värinä on auroran aiheuttamaa.

WAV äänitiedosto

Lähteet:

Kiitokset V.K. Lehtorannalle asiaa valaisevista kommenteista ja materiaalista.
 

Harrastajan radioastronomia