معلومات عن تطبيقات انتشار الأيونوسفير HF

باستخدام انتشار (HF) عبر الأيونوسفير، يمكن سماع إشارات الراديو في جميع أنحاء العالم، حيث يُعد هذا الشكل من الاتصالات هو الذي فتح لأول مرة العديد من الروابط العالمية للمناطق التي يتعذر الوصول إليها، كما مكّن البث الدولي، وقد تم استخدام انتشار (HF) باستخدام الأيونوسفير للسفن على الرغم من أنّها تستخدم الآن الاتصالات الساتلية.

يستفيد هواة الراديو أو هواة اللاسلكي من انتشار الموجات الديكامترية عبر الأيونوسفير، وغالباً ما يتواصلون مع نقاط بعيدة على الكرة الأرضية ذات طاقات منخفضة وأنظمة هوائيات متواضعة، حيث إنّ معرفة كيفية اختلاف انتشار الموجات الديكامترية (HF) وما يؤثر على طبقة الأيونوسفير تُمكن المستخدم من كسب المزيد من هذا النمط من الانتشار.

انتشار HF والموجات السماوية:

عند استخدام الانتشار (HF) عبر الأيونوسفير فإنّه تترك الإشارات الراديوية جهاز الإرسال على سطح الأرض وتنتقل نحو طبقة الأيونوسفير، حيث يتم إرجاع بعضها إلى الأرض، ويطلق على الإشارات اللاسلكية التي تنتقل بعيداً عن سطح الأرض موجات السماء، حيث إذا تمت إعادتها إلى الأرض، فقد يُنظر إلى الأيونوسفير على أنّه سطح عاكس واسع يشمل الأرض والذي يتيح للإشارات السفر عبر مسافات أكبر بكثير ممّا يمكن أن يكون غير ممكن.

انتشار HF ومناطق الغلاف المتأين:

داخل الأيونوسفير تختلف مستويات التأين التي تؤثر على موجات الراديو حيث هناك بعض المناطق التي تكون فيها مستويات التأين أعلى من غيرها، ونتيجةً لذلك يُقال أنّ هناك عدة طبقات داخل الأيونوسفير أي أنّ هناك عدد من المناطق، حيث لا ينخفض ​​مستوى التأين إلى الصفر، ولكن هناك العديد من قمم التأين، والمناطق الرئيسية هي:

1. المنطقة D:

عندما تغادر موجة السماء سطح الأرض وتنتقل إلى أعلى، فإنّ المنطقة الأولى التي تصل إليها في طبقة الأيونوسفير تسمى المنطقة (D) وهذه المنطقة تخفف الإشارات أثناء مرورها حيث يعتمد مستوى التوهين على التردد، أمّا الترددات المنخفضة تضعف أكثر من الترددات الأعلى.

2. المنطقة E:

بمجرد مرور الإشارات عبر المنطقة (D) تصل إلى المنطقة (E)، وعلى الرغم من أنّه لا يزال هناك القليل من التوهين للإشارات، فإنّ هذه المنطقة تعكس الإشارات أو تنكسرها بشكل صحيح وأحياناً تكون كافية لإعادتها إلى الأرض، حيث ينخفض ​​مستوى الانكسار مع التردد وبالتالي قد تمر إشارات التردد الأعلى عبر هذه المنطقة وإلى المنطقة التالية، كما تُعتبر المنطقة (E) ذات أهمية كبيرة لانتشار الموجات الديكامترية عند الطرف الأدنى من طيف الموجات الديكامترية وحتى الطيف الهكتومترية.

3. منطقة F:

الطبقة (F): هي المنطقة التي تمكّن انتشار (HF) لتوفير اتصالات عالمية حيث تصل الإشارات التي تنجح في المرور عبر منطقتي (D وE) إلى المنطقة (F)، كما يعمل هذا على كسر الإشارات ويمكن إعادتها إلى الأرض حيث تنقسم هذه المنطقة غالباً خلال النهار إلى قسمين يُعرفان باسم منطقتي (F1 وF2).

انتشار التخطي ومنطقة التخطي في انتشار HF:

عند استخدام الانتشار بالموجات الديكامترية (HF)، غالباً ما يكون من الملائم تحديد بعض المسافات المعنية.

1. مسافة التخطي – Skip distance:

مسافة التخطي للإشارة باستخدام انتشار (HF) عبر الأيونوسفير هي المسافة على سطح الأرض بين النقطة التي تنتقل فيها الإشارات الراديوية من جهاز الإرسال إلى طبقة الأيونوسفير وتنكسر لأسفل بواسطة طبقة الأيونوسفير إلى النقطة التي تعود إليها الأرض وردت.

2. منطقة التخطي – Skip zone:

عندما يتم إرسال الإشارات في الجزء (HF) من الطيف فإنّها ستمتد فقط لنصف قطر صغير حول المرسل عبر الموجة الأرضية، وأبعد من ذلك لا يمكن سماعها حتى تعود موجة السماء إلى الأرض أمّا منطقة التخطي أو المنطقة الصامتة هي منطقة لا يمكن فيها استقبال إرسال لاسلكي حيث تقع المنطقة بين المناطق التي تغطيها الموجة الأرضية ثم تعود الموجة السماء أولاً إلى الأرض.

انتشار واختيار الترددات لموجات HF:

أحد الجوانب الرئيسية لانتشار الموجات الديكامترية (HF) هو استخدام التردد الصحيح، وقد يكون من الممكن للنشر تمكين الاتصالات من الوجود مع منطقة دون أخرى، ونظراً لأنّ إشارات التردد الأعلى يمكن أن تمر عبر المناطق السفلية، فإنّ الإشارات على الترددات المختلفة ستنتقل لمسافات مختلفة عند استخدام انتشار (HF) عبر الأيونوسفير، ولأنّ الترددات الأعلى تميل إلى الانعكاس في المناطق الأعلى فإنّها قادرة على الوصول إلى مسافات أكبر بكثير.

1. أدنى تردد قابل للاستخدام – LUF:

تردد (LUF): هو أدنى تردد تكون فيه كثافة المجال المستقبِل كافية لتوفير نسبة الإشارة إلى الضوضاء المطلوبة في وقت محدد من اليوم.

2. الحد الأقصى للتردد القابل للاستخدام MUF:

التردد (MUF): هو أعلى تردد إشارة يمكن استخدامه للإرسال بين نقطتين عبر الانعكاس من الأيونوسفير في وقت معين.

3. التردد الحرج – Critical Frequency:

التردد الحرج لطبقة معينة في الأيونوسفير: هو أعلى تردد تنعكس فيه الإشارة التي تنتقل عمودياً إلى أعلى إلى الأرض، وهذا يعطي مؤشراً جيداً عن حالة الأيونوسفير.

4. تردد العمل الأمثل – Optimum Working Frequency:

تردد العمل الأمثل: هو أعلى تردد فعال يُتوقع أن يكون قابلاً للاستخدام في مسار ووقت محددين من اليوم لمدة (90%) من أيام الشهر.

القفزات المتعددة في موجات HF:

تقل قوة الإشارة عند كل انعكاس ووجد أنّ مناطق مختلفة من الأرض تعكس إشارات الراديو بشكل مختلف، وإنّ سطح البحر عاكس جيد جداً في حين أنّ المناطق الصحراوية فقيرة جداً وهذا يعني أنّ الإشارات التي تنعكس مرة أخرى إلى طبقة الأيونوسفير عن طريق المحيط الهادئ أو المحيط الأطلسي ستكون أقوى من تلك التي تستخدم الصحراء الكبرى.

ليس سطح الأرض فقط هو الذي يتسبب في خسائر في مسار الإشارة حيث أنّ السبب الرئيسي للخسارة هو المنطقة (D)، أمّا بالنسبة للترددات العالية في الجزء (HF) من الطيف فإنّ أحد أسباب الخسارة هو أنّ الإشارة يجب أن تمر عبر المنطقة (D) مرتين لكل انعكاس بواسطة الأيونوسفير، وهذا يعني أنّه للحصول على أفضل قوة إشارة، فمن الضروري أن تتيح مسارات الإشارة استخدام أقل عدد ممكن من القفزات.

يتم تحقيق ذلك باستخدام ترددات قريبة من الحد الأقصى للترددات التي يمكن أن تدعم الاتصالات باستخدام الانتشار الأيوني وبالتالي استخدام أعلى المناطق في طبقة الأيونوسفير، وبالإضافة إلى ذلك يتم تقليل مستوى التوهين الذي أدخلته المنطقة (D)، ممّا يعني أنّ إشارة الراديو على (20 ميغا هرتز) على سبيل المثال ستكون أقوى من واحدة على (10 ميغا هرتز) إذا كان من الممكن دعم الانتشار على كلا الترددين.

انتشار الشمس وHF:

التأين في طبقة الأيونوسفير ناتج بشكل رئيسي عن إشعاع الشمس، ونتيجةً لذلك فإنّ حالة الشمس والإشعاع المتلقاة منها تتحكم في حالة انتشار الأيونوسفير و(HF) حيث لا يزال انتشار (HF) باستخدام الأيونوسفير شائعاً كشكل من أشكال الاتصالات الراديوية، أمّا في حين أنها ليست موثوقة مثل الاتصالات عبر الأقمار الصناعية، إلّا أنّها ليست باهظة الثمن ويمكن أن توفر دعماً مفيداً في حالة فشل الاتصالات الساتلية.

يستخدم انتشار (HF) على نطاق واسع للإذاعة والمنظمات العسكرية والعديد من المنظمات الأخرى التي تتطلب اتصالات بعيدة المدى، كما يُستخدم التكاثر عالي التردد أيضاً على نطاق واسع من قبل هواة الراديو القادرين على التواصل في جميع أنحاء العالم، ونتيجةً لذلك من المرجح أن يبقى انتشار (HF) باستخدام الأيونوسفير قيد الاستخدام إلى أجل غير مسمى كشكل من أشكال تكنولوجيا الاتصالات الراديوية.

عندما تنتقل الموجات الكهرومغناطيسية تنتقل إشارات الراديو، فإنّها تتفاعل مع الأشياء والوسائط التي تنتقل فيها، وأثناء قيامهم بذلك يمكن أن تنعكس إشارات الراديو أو تنكسر أو تنحرف كما تتسبب هذه التفاعلات في تغيير اتجاه الإشارات الراديوية والوصول إلى مناطق لن تكون ممكنة إذا انتقلت الإشارات اللاسلكية في خط مباشر.

الأيونوسفير منطقة ذات أهمية خاصة فيما يتعلق بانتشار الإشارات الراديوية والاتصالات الراديوية بشكل عام، كما تتحكم خصائصه في الطرق التي تحدث بها الاتصالات اللاسلكية لا سيما في نطاقات الاتصالات اللاسلكية (HF) حيث أنّ طبقة الأيونوسفير هي منطقة من الغلاف الجوي العلوي، حيث توجد تركيزات كبيرة من الأيونات والإلكترونات الحرة، بينما تعطي الأيونات الغلاف المتأين اسمه إلّا أنّ الإلكترونات الحرة هي التي تؤثر على موجات الراديو واتصالات الراديو.

يُعرف الأيونوسفير على نطاق واسع بتأثيره على الإشارات على نطاقات الموجات الراديوية القصيرة حيث يعكس الإشارات التي تتيح سماع إشارات الاتصالات اللاسلكية هذه عبر مسافات شاسعة، وقد استخدمت محطات الراديو خصائص طبقة الأيونوسفير لتمكينها من توفير تغطية اتصالات لاسلكية عالمية، وعلى الرغم من أنّ الأقمار الصناعية تُستخدم اليوم على نطاق واسع إلّا أنّ الاتصالات الراديوية عالية التردد التي تستخدم طبقة الأيونوسفير لا تزال تلعب دوراً رئيسياً في توفير تغطية راديو عالمية.

يمتد الغلاف الأيوني على أكثر من مجال من مجالات الأرصاد الجوية ويشمل الغلاف الجوي المتوسط ​​والغلاف الحراري، وهي منطقة تتميز بوجود أيونات موجبة والأهم من ذلك بالنسبة للإلكترونات الخالية من إشارات الراديو وهي من وجود الأيونات التي تكتسب اسمها.

أساسيات انتشار الأيونوسفير والموجات الراديوية:

لا تظهر الإلكترونات الحرة فوق الغلاف الجوي بأكمله، ووجد أنّ عدد الإلكترونات الحرة يبدأ في الارتفاع على ارتفاعات تقارب 30 كيلومتراً حيث لم يتم الوصول إلى ارتفاعات تتراوح من (60 إلى 90 كيلومتراً) حتى يصبح التركيز مرتفعاً بما يكفي لبدء التأثير الملحوظ على إشارات الراديو وبالتالي على أنظمة الاتصالات اللاسلكية، والتأين في طبقة الأيونوسفير ناتج بشكل رئيسي عن إشعاع الشمس.

تؤدي درجات الحرارة المرتفعة للغاية والضغط المنخفض إلى وجود غازات في الروافد العليا من الغلاف الجوي بشكل أساسي في شكل أحادي الذرة بدلاً من وجودها كجزيئات، وفي الارتفاعات المنخفضة تكون الغازات في الشكل الجزيئي العادي، ولكن مع زيادة الارتفاع تكون الأشكال أحادية الذرة أكثر وفرة، وعلى ارتفاعات تصل إلى حوالي (150 كيلومتراً) حيث تكون معظم الغازات في شكل أحادي الذرة، وهذا مهم للغاية لأنّه وجد أنّ الأشكال أحادية الذرة للغازات أسهل بكثير في التأين من الأشكال الجزيئية.