Kan vulkanutbrudd påvirke radiobølgeutbredelse?

Transkript

1 HF Traffic Department for mai 2011 Av Tom V. Segalstad, LA4LN Kan vulkanutbrudd påvirke radiobølgeutbredelse? I forbindelse med utbruddet fra den islandske vulkanen Eyjafjallajökull i april i fjor (2010) observerte LA4LN at meteorscattersignalene på 70 MHz var betydelig dempet så lenge askeskyene lå over Europa. Dette var første kjente rapport om at radiosignaler har blitt påvirket av vulkanutbrudd. På den annen side har SM7GVF senere hevdet å finne en korrelasjon (samsvar) mellom bedret radiobølgeutbredelse via sporadisk E på 144 MHz og vulkanutbrudd. Påvirker vulkanutbrudd radiosignaler? Og i tilfelle, på hvilken måte? Dette skal vi se på i denne artikkelen. Dempning av meteorscatter på 70 MHz? Meteorscatter-spredning av VHF-radiosignaler foregår ved at signalene reflekteres fra den ionisering som foregår når meteorer kommer inn i Jordens atmosfære. Populært sagt kan vi si at det er meteorenes stjerneskudd som virker som VHF-reflektorer. Dette skjer i ionosfærens E-lag, ca km over jordoverflaten. 5. november 2009 fikk norske radioamatører lov til å benytte noen frekvenssegmenter i 70 MHz-båndet (4 meter bølgelengde). Noen av oss entusiastene har siden det hatt praktisk talt daglig kontakter i dette båndet. Med WSJT-programvarepakken (WSJT = Weak Signal av K1JT, Joe Taylor) er det mulig å få ganske lange kontakter, ut til ca km, via ett-hopp meteorscatter nesten når som helst. Det er særlig hans digitale modes JT6M, FSK441, og i det siste ISCAT, som vanligvis benyttes til dette. 14. april 2010 startet den islandske vulkanen Eyjafjallajökull en serie eksplosive utbrudd (Fig. 1), som dannet en høy søyle av vulkansk aske (Segalstad 2010b). Radarmålinger viste at askesøylen nådde en høyde opp til 9 km ved vulkanens mest intense utbrudd, og at mesteparten av asken ble liggende i 4-6 km høyde. Med vestavinden blåste askeskyene mot Europa, noe som førte til at all flytrafikk over Europa ble stanset i en ukes tid. Fig. 1. Eyjafjallajökull på sydvest-island med stort vulkansk askeutbrudd, fotografert 16. april 2010 kl UTC fra sanntids web-kamera på Hvolsvelli: Page 1 of 8

2 Fig. 2. Vulkansk askekart over Europa 15. april 2010 kl. 18 UTC fra airport-81.html. Fargene viser tettheten av askeskyene, hvor tettheten avtar fra rødt, orange, grønt til blått. Legg merke til at tettest aske på dette tidspunktet går ut fra vulkanen på Island. Og asken ligger også tettest mellom Oslo og syd-england, der LA4LN og G4DEZ hadde meteorscatterkontakt på 70 MHz på akkurat denne tiden. Fig. 2b. Vulkansk askekart over Europa 18. april 2010 kl. 21 UTC fra airport-81.html. Her ser vi at askeskyene har spredt seg videre utover, og at det fremdeles ligger tykk aske mellom England og syd-skandinavia. I NRAU (Nordisk Radio Amatør Union) Nordisk Aktivitets Contest (NAC) på 70 MHz på kvelden torsdag 15. april 2010 erfarte vi ganske dårlige forhold for meteorscatter (MS). Med yrke som geolog (med hovedfag i vulkanologi; se Pool 1992, og Pool & Segalstad, 1992) begynte jeg å lure på om de svake MS-forholdene kunne skyldes dempning på grunn av vulkansk aske i stratosfæren. De meget små askekornene ville ikke forventes å være store nok til å reflektere radiosignaler på 4 meter bølgelengde, som er en ganske lang VHF-bølgelengde. I dagene som fulgte fortsatte LA4LN eksperimentene på 70 MHz sammen med G4DEZ og andre. Vi fant at signalene (bursts og pings) via meteorscatter var svakere, hadde mindre hyppighet, og var kortere enn vi hadde erfaring fra under normale forhold. Signalene var også dårligere (mindre hyppig) enn det som skulle forventes fra meteor-radaren til Virgo-satelitten (f.eks. på som oppgir antall meteorer pr. time i sann tid. En komplett MS-kontakt med JT6M på 70 MHz, som vanligvis tar ca. 15 minutter mellom G4DEZ og LA4LN (distanse ca km), tok nå ca. 3 ganger så lang tid. Vi så ingen andre forklaringer på dette enn at vi fikk dempning av radiosignalene fra tilstedeværelsen av tykke vulkanske askeskyer mellom Island og Vest- Europa på denne tiden (se Fig. 2a og Fig. 2b). Page 2 of 8

3 Fig. 3. Prinsippskisse som viser kontakter mellom LA4LN og G4DEZ på 70 MHz via meteorscatter, men hvor signalene dempes av den vulkanske asken fra Eyjafjallajökull-vulkanen på Island i tredje uke av april Mål og vinkler er ikke i skala i denne prinsippskissen. Etter noen dager, med reduserte askeutslipp fra vulkanen, startet flytrafikken igjen, og MS-utbredelsen så ut til å ha kommet tilbake til det normale. MS-refleksjoner på 50 MHz (6 meter) så ikke ut til å bli påvirket i samme grad som MS-dempningen som ble merket på 4 meter-båndet. Men dette kan også skyldes at radioamatører generelt har bedre antenner og større sendereffekter på 6 meter enn på 4 meter (ihvertfall i utlandet vi i Norge er jo begrenset til 100 W utgangseffekt på begge bånd). Denne beskrivelsen fikk jeg publisert i ett av ARRL s nyhetsbrev i fjor (Segalstad 2010a), hvor jeg inviterte til rapportering om tilsvarende erfaringer fra andre radioamatører, som hadde opplevd spesielle radioutbredelsesforhold tilknyttet vulkanutbrudd. Det kom noen kommentarer, bl.a. fra en amerikaner, som mente at MS-refleksjoner generelt sett var betydelig overdrevet. Vedkommende mente at mye av det folk trodde var MS i virkeligheten var fly-refleksjoner. Og med flyforbudet over Europa, måtte det bli færre fly-refleksjoner. Imidlertid er det ved hjelp av skjermbildet på JT6M-programvaren lett å se forskjell på meteor-bursts, meteor-pings og flyrefleksjoner. Mulig at flyrefleksjoner er hyppige i USA, fordi det er så stor flytrafikk der. Men her i nordvest-europa er det normalt ikke så stor flytrafikk om kvelden. Og rart er det at antall meteorer pr. time observert av oss, normalt stemmer godt med radar-deteksjonene vi finner på web i sann tid. Og at vi i perioden med aske over nordvest-europa bare observerte ca. en tredjepart av de refleksjonene som satelitt-radaren hadde detektert høyere oppe? Det virket unektelig som at noe, lavere ned, foretok en dempning av signalene våre. Vår formodning var at det var tykk vulkansk aske som virket som dempeledd for våre radioforbindelser på 70 MHz (se Fig. 3). Vulkanpåvirkning av radiosignaler i vitenskapelig litteratur? I den vitenskapelige litteratur har jeg funnet lite ved søk på Google. En artikkel av Bennett et al. (2010) beskriver at de med VLF-radio kunne detektere lyn fra askeskyen fra Eyjafjallajökull-vulkanen. De viste til at slike lyn hadde blitt detektert også med VHF-radio andre steder. Men det har ikke så mye med radiobølgeutbredelse gjennom askeskyen å gjøre. Page 3 of 8

4 de Ragone et al. (2004) har en artikkel om mulige ionosfære-effekter fra det voldsomme vulkanutbruddet fra Mount Pinatubo i Filippinene i juni De fant at F-lagets kritiske frekvens (dvs. elektrontetthet) og høyden av F-laget over utbruddstedet i enkelte tilfeller øyensynlig ble påvirket av vulkanutbruddet. Store mengder vulkansk aske pluss gasser ble slynget opp til 34 km høyde i utbrudds-søylen fra dette vulkankrateret. Men det var ingen rapporter om merkelig påvirkning av radiosignaler. Kan vulkanutbrudd gi radiorefleksjoner fra sporadisk E? Refleksjoner av radiosignaler fra sporadisk E (også kalt Es) finner sted spesielt i sommer-månedene, men også litt rundt vintersolverv, fra E-lagets posisjon i ca km høyde. Særlig 50 MHz signaler er gunstige for slike refleksjoner. Men også våre 70 MHz og 144 MHz signaler kan reflekteres, når intensiteten blir høy, og når disse sporadiske E-lags MUF (= Maximum Usable Frequency; maksimal brukbar frekvens; Segalstad 2005) blir høy nok. SM7GVF hevder i en artikkel i QTC nr. 4 / 2011 at han har funnet en korrelasjon (samsvar) mellom midtre breddegraders sporadisk E og vulkanaktivitet: "Antalet Es verkar överensstemma med global vulkanaktivitet". Altså at de blå og brune kurvene skal overensstemme med de tre andre kurvene og tilstedeværelsen av store vulkanutbrudd i verden, i denne artikkelens Fig. 4. Fig. 4. Årlige data for antall dager med sporadisk E på 144 MHz hos CT1HZE (blå kurve) og antall timer med sporadisk E i Europa (brun kurve) plottet mot månedlige data for vulkanaktivitet, pluss tidspunkt for store vulkanutbrudd i verden, se artikkelteksten. Fra Kjell Jarl, SM7GVF (2011). Som begrunnelse for dette har SM7GVF laget to figurer, hvor han sammenligner data for sporadiske E- åpninger på 144 MHz hos CT1HZE med data for vulkanisme. I en av hans figurer benytter han årsmiddel for antall aktive land-vulkaner, summen av VEI for den nordlige halvkules land-vulkanutbrudd, og summen av VEI for alle Jordens land-vulkanutbrudd. VEI er Vulkansk Eksplosiv-Indeks. Denne indeksen stiger logaritmisk fra null til 8, og baseres på høyden av utbrudds-søylen og volumet av vulkanske eksplosjonsprodukter (de Boer & Sanders, 2002). Men en høy VEI forteller ikke bestanding om et utbrudd får vidtrekkende konsekvenser eller betydning for de høyere luftlag. For i tillegg trenger vi informasjon om hvorvidt utbruddet var rettet oppover eller Page 4 of 8

5 sideveis, og hva slags aske eller gass som vulkanen blåste ut. F.eks. Mount St. Helens i nordvestre USA hadde en meget høy VEI på 5 ved sitt utbrudd i 1980, men blåste sin aske sideveis, slik at konsekvensene ikke ble så store. Mens den meksikanske vulkanen El Chichón hadde et utbrudd med VEI på 4 i 1982, som fikk globale konsekvenser for klimaet. Nettopp på grunn av at dette mindre kraftige utbruddet skjøt vulkanproduktene rett opp i stratosfæren, og hadde store mengder svovelgasser. Les mer i artikkelen av Segalstad (1983). Her i Fig. 4 gjengis figuren til SM7GVF for vulkandataene med månedsgjennomsnitt (grønn, rød og gul kurve; pluss tid for store vulkanutbrudd i verden, nederst), som skal sammenlignes med hvert års antall dager med sporadisk E på 144 MHz hos CT1HZE (blå kurve), eller antall timer med sporadisk E på 144 MHz (fra Make More Miles på web; delt på 10 (brun kurve). Ved å studere kurvene i Fig. 4, finner jeg ikke at alle topper og bunner for den blå (og/eller brune) kurven samsvarer med topper eller bunner i vulkan-kurvene. Hvis vi inndeler figuren i langtids-trender på ca. 10 år, ser vi at de første ca. 10 år går den blå kurven opp, mens vulkankurvene er tilnærmet flate. De neste ca. 10 år går den blå kurven ned, den gule kurven går litt ned siste halvdel av denne perioden, mens de røde og grønne kurvene er tilnærmet flate. De siste ca. 10 år går den blå kurven opp, og følges av vulkankurvene for den siste halvdel av denne perioden, mens de ikke gjør det for den første halvdelen av denne perioden. Den gule kurven går heller ned den første periodehalvdelen for de siste ca. 10 år, i stedet for å gå opp, slik den blå kurven gjør. Derfor virker ikke denne undersøkelsen til SM7GVF overbevisende på meg. Jeg finner ikke at påstanden er bevist, ut fra disse data, at det skulle være en korrelasjon mellom global vulkanaktivitet og sporadiske E- åpninger på 144 MHz hos CT1HZE. Vi savner også statistiske beregninger for at det virkelig er en god korrelasjon mellom kurvene. Men det finnes det neppe, når vi ved visuell inspeksjon av kurvene, ikke finner samsvar mellom maksima og minima, eller ikke finner samsvar mellom langtids tendenser innen datasettene. Jeg finner derfor ikke at hypotesen til SM7GVF er bevist og finner altså ikke at vulkanutudd kan gi radiorefleksjoner fra sporadisk E zvurdert ut fra de data som er presentert her. Hvordan dannes sporadisk E? Dette vet vi faktisk ikke! Det har blitt observert gjentatte ganger at hyppigheten og intensiteten av sporadisk E (Es) øker i de fleste solflekkminimumsår (Jacobs et al. 1995). Vi ser faktisk akkurat dette i dataene til CT1HZE, gjengitt av SM7GVF i vår Fig. 4 (blå kurve). Her finner vi markerte topper i den blå kurven rundt solflekkminimumsårene 1976, 1986, 1996, og UTEN at vi behøver å påkalle vulkaner, eller den mystiske vulkangudinnen Pele, for å forklare dette! Det har blitt funnet metall-atomer, særlig av magnesium, i den øvre atmosfære, der hvor Es dannes. Dette har blitt funnet ved å sende opp ballonger med massespektrometre. Forskerne antar at disse metallatomene kommer fra stein-meteorer (som er rike på magnesium). Disse har blitt brent som stjerneskudd i denne delen av atmosfæren. Når gass-atomer og slike metall-atomer blir bestrålt med ultrafiolett (UV) lys fra Solen, vil atomene her ioniseres, og avgir elektroner, som kan reflektere radiosignaler (Thomas 1983). Men det gjenstår å forklare hvorfor en eventuell slik mekanisme kan bli mer intens i solflekkminimumsperiodene. Det er særlig ionosfærens F-lag (F 1 og F 2 ) som blir mer aktivt i solflekkmaksimumsårene, gjennom Solens UV-stråling med bølgelengder mellom 100 og 1000 Å (Ångstrøm; 1 Å = meter). E-laget ioniseres av Solens UV-stråling med bølgelengde mellom 10 og 100 Å (Jacobs et al. 1995). Page 5 of 8

6 Forskerne Lean (2000) og Fligge & Solanki (2000) har funnet ut at det særlig er den langbølgede UVstrålingen som svekkes mest i solflekkminimumsårene. Da vil F-lagene kunne svekkes mer, og muligens tillate mer UV-stråling med kortere bølgelengde å slippe gjennom og nå E-laget, og derigjennom bidra til å aktivere sporadisk E i større grad i solflekkminimumsårene? Dette får være min hypotese for hvorfor det kan bli hyppigere og mer intens opptreden av sporadisk E i solflekkminimumsårene selv om jeg opprinnelig er vulkan-venn (vulkanolog) av utdannelse. Ekstreme sporadiske E-åpninger De siste årene har vi hatt en lengre solflekkminimumperiode enn på flere år (se Segalstad, 2006 & 2011). Dette har medført at vi har opplevd signifikant økt sporadisk E på VHF, både i antall åpninger, intensitet (høyere E-lags-MUF, se Fig. 5) og mange E-lag-hopp, som har gitt kontakter over sjeldent lange avstander på VHF, spesielt på 50 MHz (6 meter). Dette har blitt gjenstand for en interessant artikkel i QST nr. 4 for 2011 av KH6/K6MIO Jim Kennedy. I artikkelen diskuteres det om disse uvanlige, lange kontaktene har blitt til gjennom Es multi-hopp, eller ved at signalene har fulgt E-laget langt av gårde ved chordal utbredelse eller ducting (uten at radiosignalet reflekteres fra bakken). Fig. 5. Kart fra EA6VQ s over posisjon og MUF (maksimal brukbar frekvens i MHz) for sporadiske E-lag 23. mai 2010 kl UTC. Under disse relativt ekstremt intense Es-forhold hadde LA4LN og LA4ANA kontakter på 70 MHz med SV9GPV på Kreta i det østre Middelhavet. Avstand nesten 3000 km over 2 stk. Es-hopp med 4 grader vertikal utstrålingsvinkel. Legg merke til at E-lagets MUF stedvis gikk helt opp til 177 MHz på dette tidspunkt. Jim presiserer at hans analyse av slike lange kontakter ikke er ferdigbehandlet, og at han nå bare presenterer en foreløpig analyse. Men jeg får det inntrykk at han heller til multi-hopp Es, enn chordal/ductal radiobølgeutbredelse. Imidlertid kan han altså ikke være sikker, før han har fått analysert dette nærmere. Page 6 of 8

7 Selv hadde jeg gleden av å oppleve en ekstremt lang sporadisk E-åpning på 50 MHz fra Oslo til PY2XB og til PY2VA (Fig. 6) i Brasil 9. juli 2003, riktignok ikke i solflekkminimumsår. F-laget ga ikke høy nok MUF til at 50 MHz kunne reflekteres der. Men det var enormt sterke Es-reflekterte signaler å høre fra England, Spania og Kanariøyene på samme tid (henholdsvis ett, to og tre Es-hopp). Beregninger viste at jeg rakk Brasil over km ved denne anledningen via 7 Es-hopp og bare 3 graders vertikal utstrålingsvinkel. Dette er nesten 2500 km lengre enn Es-kontakter jeg har hatt med Japan på 50 MHz, hvor det behøves 5 Es-hopp. Fig. 6. Eksempel på ekstrem kontaktlengde via Es fra Norge. QSL-kort for kontakt på 50 MHz (6 meter) mellom Oslo og Brasil 9. juli 2003 kl UTC over km via 7 sporadisk E-hopp. Konklusjon Konklusjonen blir vel, som så ofte, at det ikke bare er mer mellom antenne og jord enn mange aner men også mer mellom himmel og jord enn mange aner. Radioamatørene er i en unik posisjon til å utforske spennende sider av radiobølgeutbredelse, som vitenskapen ennå ikke har forståelse om. Det vi trenger er gode observasjoner og målinger. Disse må behandles seriøst, slik at vi kan gi bidrag til å forstå hvorfor slike fenomener skjer. Litteratur Bennett, A.J., Odams, P., Edwards, D. & Arason, Þ. (2010): Monitoring of lightening from the April-May 2010 Eyjafjallajökull volcanic eruption using a very low frequency lightening location network. Environmental Research Letters, Vol. 5, Oct.-Dec., doi: / /5/4/ Tilgjengelig på: de Boer, J.Z. & Sanders, D.T. (2002): Volcanoes in Human History The Far-Reaching Effects of Major Eruptions. Princeton University Press, Princeton, 295 pp. de Ragone, A.H.C., de Manzano, A.N.F., Elias, A.G. & de Artigas, M.Z. (2004): Ionospheric effects of volcanic eruptions. Geofisica Internacional, Vol. 43, Nr. 2, side Tilgjengelig på: Fligge, M. & Solanki, S.K. (2000): The solar spectral irradiance since Geophysical Research Letters, Vol. 27, Nr. 14, side Page 7 of 8

8 Jacobs, G. W3ASK, Cohen, T.J. N4XX & Rose, R.B. K6GKU (1995): The NEW Shortwave Propagation Handbook. CQ Communications, New York, 192 pp. Jarl, K. SM7GVF (2011): Mid Latitude Sporadisk E korrelation med vulkanaktivitet. QTC Amatörradio, Vol. 85, Nr. 4, side Kennedy, J. KH6/K6MIO (2011): Extreme Distances on 6 meter E-skip. The World Above 50 MHz. QST (ARRL), Vol. 95, Nr. 4, side Lean, J. (2000): Evolution of the Sun s Spectral Irradiance Since the Maunder Minimum. Geophysical Research Letters, Vol. 27, Nr. 16, side Pool, G. WH6DT (1992): Volcano Voice. World Radio, Vol. 22, Nr. 2, side Tilgjengelig på: Pool, G. WH6DT & Segalstad, T. V. LA4LN (1992): Stemmen fra vulkanen. Amatørradio, Vol. 58, Nr. 12, side Segalstad, T.V. LA4LN (1983): Eksplosive vulkanutbrudd 100 år siden Krakatau-utbruddet. Naturen, Vol. 107, Nr. 5-6, side Tilgjengelig på: Segalstad, T.V. LA4LN (2005): Radiobølgeutbredelse på HF, med spesiell vekt på 5 MHz. Amatørradio, Vol. 70, Nr. 5, side Tilgjengelig på: Segalstad, T.V. LA4LN (2006): Solen vår velgjører for radiokommunikasjon. Amatørradio, Vol. 71, Nr. 4, side Tilgjengelig på: Segalstad, T.V. LA4LN (2010a): Disturbed VHF radio propagation under volcanic ash clouds. American Radio Relay League (ARRL) Propagation Bulletin, No. 16, Tilgjengelig på: Segalstad, T.V. LA4LN (2010b): Vulkanutbrudd på Island i april Naturhistorisk Museum, Universitetet i Oslo. Segalstad, T.V. LA4LN (2011): Hva skjer nå på Solen? Amatørradio, Vol. 76, Nr. 4, side xx-yy (i trykken). Thomas, L. (1983): Modelling of the ion composition of the middle atmosphere. Annales Geophysicae, Vol. 1, Nr. 1, side Fra Amatørradio, Vol. 76, Nr. 5, 2011 Utgiver Norsk Radio Relæ Liga, Oslo Page 8 of 8