ชั้นบรรยากาศไอโอโนสเฟียร์ (The Ionosphere)

ชั้นบรรยากาศของโลกที่เกี่ยวข้องกับคลื่นวิทยุมีอยู่ 3 ชั้น โดยเรียงจากชั้นที่อยู่ใกล้กับผิวโลกมากที่สุด คือ

ชั้นบรรยากาศโทรโปสเฟียร์ ( Troposphere )
ชั้นบรรยากาศสตราโตสเฟียร์ ( Stratosphere )
ชั้นบรรยากาศไอโอโนสเฟียร์ ( Ionosphere )

ชั้นบรรยากาศไอโอโนสเฟียร์เป็นชั้นบรรยากาศที่อยู่ห่างจากผิวโลกมากที่สุด รวมถึงเกี่ยวข้องกับการแพร่กระจายคลื่นในย่านความถี่ HF มากที่สุดอีกด้วย
สิ่งน่าสนใจเกี่ยวกับบรรยากาศไอโอโนสเฟียร์ คือ ความสามารถหักคลื่นวิทยุให้สะท้อนกลับมาที่โลก เป็นการเพิ่มระยะทางส่งได้มากขึ้น ซึ่งในชั้นบรรยากาศอื่นไม่มีคุณสมบัตินี้อยู่ นิยมใช้งานกันในย่านความถี่ HF ลงไป ถ้าสูงกว่านี้อย่างย่าน VHF ไม่สามารถส่งโดยวิธีนี้ได้เพราะจะทะลุชั้นไอโอโนสเฟียร์ออกไป
การแพร่กระจายของรังสีอุลตราไวโอเลตจากดวงอาทิตย์เข้าหาชั้นบรรยากาศของโลก ทำให้เกิดการถ่ายเท พลังงานเข้าสู่โมเลกุลของชั้นบรรยากาศไอโอโนเฟียร์ให้เกิดการไอออนไนซ์ (ionization) ของโมเลกุลขึ้น
การไอออนไนซ์ คือ ขบวนวิธีดึงอิเล็กตรอนออกจากอะตอม ซึ่งอะตอมที่สูญเสียอิเล็กตรอนจะมีลักษณะทางไฟฟ้าเป็นประจุไฟฟ้าบวก นอกจากนี้ยังได้ประจุไฟฟ้าลบและอิเล็กตรอนอิสระจำนวนมาก
ปริมาณความหนาแน่นของอิเล็กตรอนในชั้นไอโอโนสเฟียร์ จัดว่ามีพฤติกรรมไม่คงที่แน่นนอนคือ มีค่าขึ้นๆ ลง ๆ ตลอดตามการเปลี่ยนแปลงของรังสีอุลตราไวโอเลตจากดวงอาทิตย์ที่มีการแพร่กระจายรังสีสูงสุดในเวลากลางวัน และต่ำสุดในเวลากลางคืน ทำให้ค่าความถี่ MUF เปลี่ยนไปในแต่ละช่วงเวลาในหนึ่งวัน ดูพฤติกรรมของความถี่ MUF ได้จากรูปที่ 1

รูปที่ 1 แสดงค่าความถี่ MUF ที่เปลี่ยนแปลงในหนึ่งวัน

เห็นได้ว่าการใช้ค่าความถี่ MUF ที่ค่าใดค่าหนึ่งทำได้ยาก เพราะอาจทำให้ระบบสื่อสารขาดความแน่นอนลงไป ดังนั้นจึงคิด MUF ที่ค่าประมาณ 85% ของค่า MUF ที่ปรากฏ เพื่อใช้ส่งคลื่นวิทยุที่มีพฤติกรรมค่อนข้างแน่นอนเรียกค่านี้ว่าความมถี่ใช้งานที่เหมาะสม ( Optimum Working Frequency : OWF )

MUF หรือ Maximum Usealbe Frequency เป็นความถี่ที่จำกัดอยู่เช่นกัน สำหรับมุมเฉพาะบางมุมของการตกกระทบมากกว่าจุดปกติ ในความเป็นจริงถ้ามุมของการตกกระทบระหว่างคลื่นตกกระทบกับจุดปรกติ คือค่า q ดังนั้น

MUF = Critical Frequency / cos q

สูตรนี้เราเรียกว่า Secant law และมีประโยชน์อย่างมากในการคำนวณเบื้องต้นเพื่อหาค่าของ MUF โดยเฉพาะ สามารถประยุกต์ได้เฉพาะกับพื้นโลกและชั้นบรรยากาศสะท้อนที่ราบ อย่างไรก็ตาม มุมของการตกกระทบไม่ใช่ส่วนสำคัญที่สุด เพราะมันกำหนดได้โดยระยะทางระหว่างจุดที่ซึ่งเป็นจุดต่อโดย Sky wave Link

รูปที่ 2 แสดงพฤติกรรมของคลื่นเมื่อมีมุมตกกระทบต่างกัน

จากรูปที่ 2 จะเห็นได้ว่า คลื่นที่มีมุมยิงต่ำกว่ามุมวิกฤตมากขึ้น ระยะทางที่คลื่นเดินทางจะไกลขึ้น แต่ถ้ามีมุมยิงมากกว่ามุมวิกฤต คลื่นจะทะลุผ่านชั้นไอโอโนสเฟียร์ไป

ความหมายของค่าที่เกี่ยวข้องกับ MUF

ความสูงที่แท้จริง (Virtual Hight) ของชั้นบรรยากาศไอโอโนสเฟียร์ สามารถอธิบายได้ชัดเจนที่สุดจากรูปที่ 3 ซึ่งรูปนี้แสดงว่า คลื่นที่ถูกหักเหจะโค้งต่ำลงไปทีละน้อย แต่อย่างไรก็ตามที่ระดับต่ำกว่าชั้นไอโอโนสเฟียร์ คลื่นตกกระทบและสะท้อนตามเส้นทางที่ถูกต้องเหมือนกับที่เป็นอยู่ ถ้าการสะท้อนเกิดขึ้นอยู่จากต่ำแหน่งของผิวหน้าที่ความสูงมากๆเรียกว่า ความสูงที่แท้จริง ถ้าเราทราบค่าของความสูงที่แท้จริงของชั้นบรรยากาศ ก็จะทำให้ง่ายต่อการคำนวณมุมของการตกกระทบที่ต้องการสำหรับคลื่นที่ต้องการ ให้สะท้อนกลับลงมาสู่โลกตามที่เลือกไว้

ความถี่วิกฤต (Critical Frequency : fc ) สำหรับชั้นบรรยากาศที่กำหนดอันหนึ่งคือความถี่สูงสุดที่ซึ่งยังคงจะย้อนกลับสู่โลกโดยชั้นบรรยากาศนั้น หลังจากมีการบีมคลื่นขึ้นตรงๆที่ชั้นนี้ มันเป็นหัวใจสำคัญและเป็นความจำเป็นด้วยต่อการทราบค่าต่างๆภายใต้เงื่อนไขที่กำหนด เพราะค่านี้จะเปลี่ยนไปตามเงื่อนไขที่เกิดขึ้น โดยจะกล่าวถึงว่า คลื่นจะโค้งตัวลงภายใต้อัตราของการเปลี่ยนแปลงค่าไอโอไนส์เซชั่นในค่าที่เพียงพอ และซึ่งอัตราของไอโอไนส์เซชั่นนี้ถูกวัดต่อหน่วยความยาวคลื่น คลื่นเดินตามทิศทางที่ใกล้ชิดต่อการเป็นลำคลื่น (Rays) ตกกระทบแบบเวอร์ติคอล ย่านที่ค่ามากกว่านี้คลื่นจะเกิดการโค้งเพื่อย้อนกลับสู่โลกโดยชั้นบรรยากาศอันหนึ่ง ผลเหล่านี้มี 2 ประการคือ เป็น 2 เท่าของอันแรกความถี่สูงกว่า ความยาวคลื่นสั้นกว่าและเป็นจริงน้อยคือการเปลี่ยนค่าความหนาแน่นของไอโอไนส์เซชั่นที่จะเหมาะสมต่อการหักเห อันที่สองเข้าใกล้สู่เวอร์ติคอลของลำคลื่นตกกระทบที่กำหนดอันหนึ่งเป็นจริงน้อยกว่า คือเพื่อให้ย้อนกลับสู่พื้นโลกวิธีใดวิธีหนึ่ง สิ่งนี้หมายความว่า ความถี่สูงสุดจะต้องมีอยู่เหนือที่ซึ่งลำคลื่นผ่านไปสู่ไอโอโนสเฟียร์เมื่อมุมของการตกกระทบตามปกติ ชื่อที่กำหนดความถี่สูงสุดนี้คือ Critical Frequency ในทางปฏิบัติจะใช้ค่า 5 MHz ถึง 12 MHz

รูปที่ 3 ความสูง Actual และ Virtual ของชั้นไอโอโนสเฟียร์