ชั้นบรรยากาศ ATMOSPHERE

ชั้นบรรยากาศที่ห่อหุ้มโลก มีผลต่อการแพร่กระจายคลื่นวิทยุเป็นอย่างมาก บรรยากาศของโลกแบ่งออกเป็นหลาย ๆ ชั้น โดยแบ่งตามความสามารถที่จะเป็นตัวนำได้ เมื่อเกิดมีอณูของรังสีจากดวงอาทิตย์ เคลื่อนที่เข้ามาชน ทำให้ชั้นบรรยากาศเกิดการ IONIZING ของก๊าชในชั้นบรรยากาศนั้น

Ionization เป็นการเปลี่ยน อะตอมหรือโมเลกุล เป็น ไอออน

จากคุณสมบัติที่เป็นตัวนำในขนะเกิดการ IONIZING ชั้นบรรยากาศเหล่านี้จึงสามารถที่จะสะท้อนคลื่นวิทยุได้ ความสูงของชั้นบรรยากาศ ชั้นต่าง ๆ จะเปลี่ยนไปเรื่อย ๆ โดยขึ้นอยู่กับความเข้มของการ IONIZING และส่วนประกอบอื่น ๆ เช่น อุณหภูมิ ,ความชื้น , แรงกดดัน เป็นต้น ชั้นบรรยากาศของโลกแบ่งเป็น 3 ชั้นคือ

1. ชั้น โทรโพสเพียร์ (Troposphere Layer)

ระยะ ความสูงจากพื้นโลกโดยประมาณ อยู่ที่ 0 -15 กิโลเมตร ชั้นนี้ สภาพโดยทั่วไปไม่ได้เป็นเนื้อเดียวกันตลอด มีสภาพปั่นป่วน วุ่นวายตลอดเวลา เป็นเหตุให้มีการเปลี่ยนแปลงทางอุณหภูมิ ความชื้น ความดัน และอื่น ๆ ทำให้ดัชนีการหักเหเปลี่ยนแปลงไปตามเวลา โดยเฉลี่ยแล้วอุณหภูมิจะลดลงประมาณ 6 ^oC /กิโลเมตร

2.ชั้นสตราโทสเพียร์ (Stratosphere Layer)

เป็นชั้นที่สองของชั้นบรรยากาศของโลก อยู่เหนือชั้น troposphere และต่ำกว่าชั้น mesosphere ชั้นนี้จะมีระยะความสูงจากพื้นโลกประมาณ 15-50 กิโลเมตร เป็นชั้นบรรยากาศที่มีอุณหภูมิคงที่ไม่เปลี่ยนแปลง จุดสูงสุดของชั้นนี้เรียกว่า stratopause (สูงประมาณ 50 ถึง 55 กิโลเมตร)

3.ชั้นไอโอโนสเพียร์ (Ionosphere)

เป็นชั้นที่อยู่สูงที่สุด คือสูงจากพื้นโลกประมาณ 50-500 กิโลเมตร บรรยากาศชั้นนี้ อากาศจะเต็มไปด้วย อิออน มีคุณสมบัติในการดูดกลื่นหรือสะท้อนคลื่นวิทยุ ตัวที่มีบทบาท คือความเข้มของอิเล็คตรอนอิสระ (Free Electron Density) บรรยากาศชั้นนี้ ยังจะแบ่งออกเป็นชั้นย่อย ๆ ได้อีกดังนี้

ชั้น D (D Layer)

เป็นชั้นที่ต่ำที่สุดในชั้นionosphere ด้วยกัน มีความสูงจากพื้นดินประมาณ 50-90 กิโลเมตร จะปรากฎเฉพาะกลางวันเท่านั้น และความเข้มของการ IONIZING จะเปลี่ยนแปลงตามความสูงของดวงอาทิตย์ ชั้นนี้มีคุณสมบัติในการสะท้อนคลื่นวิทยุย่านความถี่สูง และดูดกลืนวิทยุความถี่ต่ำ (ต่ำกว่า 4-6 MHz)

Ionospheric absorption (or ISAB)

ชั้น นี้จะหายไป อย่างรวดเร็วหลังจากดวงอาทิตย์ตก ในเวลากลางคืนจะมีการดูดกลืน (absorption) น้อยมาก และในเวลาเทียงวันจะมีการดูดกลืนมากที่สุด ให้เราลองสังเกตวิทยุกระจายเสียง AM ในบางสถานี อาจจะไม่สามารถรับฟังได้ แต่พอตอนกลางคืนสามารถรับฟังได้อย่างชัดเจ็น

ชั้น E (E layer)

มีความสูงจากพื้นโลกประมาณ 100 -125 กิโลเมตร สามารถสะท้อนคลื่นวิทยุลงมาสู่พื้นผิวโลกได้ ชั้นนี้จึงมีประโยชน์ในการรับ - ส่ง วิทยุระัยะไกล ๆ ชั้น E ก็มีลักษณะคล้าย ๆ กับชั้น D เกิดขึ้นมากที่สุด เราสามาถติดต่อสื่อสารผ่านชั้น E ได้ไกลถึง 2,500 กิโลเมตร

ความน่าสนใจของชั้น E มีอีกประการคือ sporadic E (หรือ Es)ในบางครั้ง ชั้นนี้จะสามารถสะท้อนคลื่นวิทยุในย่าน VHF และ UHF
sporadic E นี้มักจะเกิดในช่วงฤดูร้อน (มากสุดในเดือน มิถุนายน สำหรับซึกโลกเหนือ) บางครั้งอาจจะเกิดขึ้นแค่ระยะไม่กี่นาที จนถึง ชั่วโมง ระยะทาง 1,000 ถึง 2,500 กิโลเมตรสามารถเป็นไปได้ใน sporadic E

ชั้น F (F Layer)

ชั้น นี้ถือเป็นชั้นที่มีความสำคัญมากในการติดต่อสื่อสารทางไกล ของวิทยุในย่าน HF ชั้นนี้มีความสูงจากพื้นโลกประมาณ 150 - 500 กิโลเมตร ในตอนกลางวันชั้น นี้จะแบ่งออกเป็น 2 ชั้นย่อยคือ

• ชั้น F1 (F1 - Layer) มีความสูงประมาณ 175 - 250 กิโลเมตร มีการ IONIZING ตลอดเวลา มากที่สุดในตอนบ่าย ความสูลของชั้นนี้อาจจะเปลี่ยนแปลงไปบ้าง ขึ้นอยู่กับ จุดดับบนดวงอาทิตย์ ฤดู (season of the year) และเวลาในวันหนึ่ง ๆ ด้วย คุณสมบัติของ F1 นี้ ใช้ในการสะท้อนคลื่นวิทยุในการรับส่งระยะไกล แต่มีการดูดกลื่นบ้างเล็กน้อย
• ชั้น F2 (F2 - Layer) มีความสูงประมาณ 250 - 400 กิโลเมตร ชั้นนี้มีบทบาทในการสื่อสารอย่างยิ่ง ชั้นนี้สูงที่สุดที่เกียวกับคลื่นวิทยุ มีการ IONIZING อย่างรุนแรง แต่เนื่องจากความหนาแน่นของอากาศเบาบางมาก จึงทำให้การ IONIZING ที่เกิดขึ้นค้างอยู่ได้นาน การ IONIZING จะรุนแรงมากในตอนบ่าย แล้วค่อย ๆ ลดลงน้อยที่สุดก่อนพระอาทิตย์ขึ้น จะมีการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วในตอนเช้า ชั้นนี้เป็นชั้นที่มีประโยชน์มากที่สุด ในการสื่ิอสารด้วยวิทยุระยะไกล HF ความสูงของชั้น F2 ฤดูร้อนจะสูงกว่า ฤดูหนาว ในตอนกลางคืนชั้น F1และ F2 จะรวมรวมกันเหลือเพียงชั้นเดียวเรียกว่า ชั้น F มีความสูงประมาณ 300 กิโลเมตร

การเปลี่ยนแปลงของชั้น Ionospher (Ionospheric variation)

Diurnal (ได - เออ - แน็ล) (daily) variation

การ เปลี่ยนแปลงตามช่วงเวลาของแต่ละวัน ดวงอาทิตย์ ขึ้น และตก ในรอบเวลา 24 ชั่วโมง เป็นส่วนสำคัญในการเพิ่ม การ ionization ในช่วงเวลากลางวันจะมีชั้น D และ E แต่จะหายไปในช่วงเวลากลางคืน ชั้น F2 จะเพิ่มความสูงขึ้นจนถึงเวลาเทียงวัน และจะลดลงจนกระทั่งถึงตอนเย็น พอตอนกลางคืนก็จะไม่มีหรือรวมตัว (disappears or merges) กับชั้นอื่น

ผล ของการดูดกลืนคลื่นความถี่ (higher absorption) ของชั้น D และ E ที่มีสูงในเวลากลางวัน ความถี่ต่ำ ไม่สามารถที่จะใช้ได้ในเวลากลางวัน ในขณะดียวกันชั้น F จะสะท้อนความถี่สูงในเวลากลางวัน

ใน ช่วงความถี่ 1–30 MHz เราจะใช้งานดังนี้ ความถี่ที่สูงกว่า 11 MHz เราจะใช้ในเวลากลางวัน ส่วนความถี่ที่ต่ำกว่า 11 MHz เราจะใช้ในช่วงเวลากลางคืน

27 day cycle

ในทุก ๆ ประมาณ 1 เดือน ดวงอาทิตย์จะหมุนครบรอบ ( rotational period of the Sun) ตำแหน่งของ sunspots จะกลับมาอีกครั้ง ถ้า MUF สูง และถ้าการติดต่อดี ๆ หลายวันก็สามารถคาดเดาได้ ว่าจะดีอย่างนั้นอีกใน 27 วันถัดมา เพราะพื้นที่ส่วนนั้นของดวงอาทิตย์ จะกลับมาอีก

Seasonal cycle

โลก หมุนรอบดวงอาทิตย์ วงโครจรนั้น ไม่ได้เป็นวงกลม แต่เป็นวงรี (elliptical) ทำให้มีความแตกต่างของฤดูกาลเกิดขึ้น และยังส่งผลให้ พลังงานของดวงอาทิตย์ (Sun’s energy) ที่มายังโลก มีความแตกต่างกันออกไป โดยปรกติจะส่งผลกระทบต่อชั้น D ,E ,F1 แต่ชั้น F2 จะไม่ค่อยมีผลมากนัก Ion ในชั้น F2 จะหนาแน่นที่สุดในช่วง ฤดูหนาว และลดลงเวลาฤดูร้อน และความแตกต่างระหว่าง ช้ัน F1 และ F2 นั้นจะไม่มากนัก

11 year cycle

จำนวน sunspots เท่าที่มีการบันทึกเอาไว้ จะมีการเปลี่ยนแปลงครบรอบทุก ๆ 11 ปี

การติดต่อสื่อสารจะดีถ้าจำนวน sunspots มีมาก

สัญ าณรบกวนจากดวงอาทิตย์และกาแล็กซี่ จะมีผลต่อสัญญาณที่อ่อน ๆ (weak signals) เราสามารถทดลองพิสูจน์ ได้โดยการใช้เครื่องรับวิทยุปรกติ (ordinary radio receiver) และสายอากาศแบบทิศทาง ควรจะเป็นย่าน VHF/UHF (150 to 152 MHz) แล้วใช้สายอากาศเล็งไปที่ดวงอาทิตย์ เวลาดวงอาทิตย์ ขึ้น หรือ ตก จะมีการเปลี่ยนแปลงของสัญญาณ background noise อย่างรวดเร็ว

Sunspots

Sunspots อาจจะมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่มากได้ถึง 100,000–150,000 กิโลเมตร จำนวนของ Sunspots มีการเปลี่ยนแปลงครบรอบทุก 11 ปี มีการบันทึก จำนวน Sunspots ครั้งแรกในปี ค.ศ. 1750 ตอนแรก ๆ มีความเปลี่ยนแปลงอยู่ที่ 9 -14 ปี ค่าจำนวน Sunspots จะมีการเก็บบันทึกทุกวัน เป็น Wolf number (หรืออาจจะเรียกว่า International sunspot number, relative sunspot number) หมายถึง ปริมาณของ Sunspots หรือกลุ่มของ Sunspots ที่ปรากฏขึ้นบนผิวของดวงอาทิตย์ค่าที่ต่ำที่สุดคือ 60 ในปี ค.ศ. 1907 และสูงสุดคือ 200 ในปี ค.ศ. 1958

Johann Rudolf Wolf นักดาราศาสตร์ชาวสวิส เป็นผู้ที่ศึกษา ค้นคว้าเกียวกับ Sunspots

sunspot คือ บริเวณ พื้นผิวของดวงอาทิตย์ ที่มีอุหภูมิต่ำ บริเวณนี้จะมีความเข้มข้นของสนามแม่เหล็กสูงมาก

มีตัวแปรอีกตัวที่เกียวข้องก็คือ solar flux index (SFI) เราสามารถตรวจวัดโดยการใช้คลื่นไมโครเวฟ (ความยาวคลื่นประมาณ 10.7 cm, หรือ 2800 MHz) ในเวลา at 1700 U.T.