גלי רקיע – לתקשורת ארוכת טווח

פרופ’ יוסף פנחסי
אוניברסיטת אריאל בשומרון

לפני עידן הלוויינים, תקשורת אלחוטית לטווחים של מאות ואלפי קילומטרים התבצעה בתחום התדר הגבוה (HF) המוגדר בין 3MHz ל-30MHz. בתחום תדרים זה, היונוספירה משמשת כ”מראה” המחזירה גלי רדיו המגיעים אליה (“גלי רקיע”) לפני כדור הארץ ובכך מאפשרת תקשורת אל מעבר לאופק. כיום, השימוש בתחום התדר הזה לתקשורת ארוכת טווח אינו נפוץ, למעט תחנות רדיו המשדרות לכלל העולם לטווחים ארוכים או לתקשורת בין חובבי רדיו. בשנת 1955 הופעל לראשונה מכ”מ הרואה מעבר לאופק (Over-the-horizon radar) שפותח במעבדות חיל הים האמריקאי (NRL). המכ”מ שפעל בתחום ה-HF נועד לגלות שיגור טילים במרחקים של למעלה מ-1,000Km. מאמר זה יסביר את עקרונות השימוש בגלי רקיע המוחזרים מהאטמוספירה. המאמר מבוסס על הספר “תקשורת אלחוטית בגלי רדיו” שיצא לאחרונה לאור.
האטמוספרה היא מעטה של אוויר המורכב מתערובת של גזים ומקיף את כדור הארץ עד לגובה של עשרות קילומטרים. האטמוספרה מחולקת לשכבות. השכבה הנמוכה ביותר היא הטרופוספרה והיא מכילה כ-75% מהמסה הכוללת של האטמוספרה. היא מתחילה מפני כדור הארץ וגובהה נע בין 8Km בקטבים ל-18Km בקו המשווה. מעליה נמצאת שכבת הסטרטוספרה עד לגובה של כ-50 קילומטרים והיא מכילה בין היתר את שכבת האוזון. השכבה הבאה היא המזוספרה עד לגובה של כ-80Km ומעליה שכבת התרמוספרה עד לגובה של כ-650Km. את החלק העליון של התרמוספרה, הנמצא בגובה של 500 ק”מ ומעלה, מכנים אקסוספרה ובה צפיפות האוויר נמוכה מאד. בחלק משכבת התרמוספירה נבלעת רוב קרינת השמש בעלת אורך גל הקצר מאולטרה סגול, דבר הגורם להפיכת חלק ממולקולות הגז ליונים. לאזור זה קוראים לכן יונוספרה, ונתייחס אליה מאוחר יותר. שכבות האטמוספרה מובאות בטבלה 1.
הגזים העיקריים המרכיבים את האטמוספרה של כדור הארץ הם בריכוזים של 78.084% חנקן () N2, 20.948% חמצן (Oxygen) O2, 0.934% ארגון
(Argon) ו-0.0314% פחמן דו-חמצני
(Carbon dioxide) . באטמוספרה לחה מתווספים אדי מים H2O בריכוז שבין 1% ל-4%. כמו כן מופיעים חלקיקי אבק ואובך וחומרים מזהמים אחרים. בתחומי התדר הנמוכים, השפעת השכבות הנמוכות של האטמוספרה על התפשטות הגלים כמעט שאינה מורגשת, והיא שקופה לגל האלקטרומגנטי המשודר דרכה. אולם כאשר התדר הוא בתחום הגלים המילימטרים, מובחנת בליעה של המולקולות המרכיבות את האטמוספרה (בעיקר חמצן O2 ומים H2O).
השכבות העליונות של האטמוספרה חשופות לקרינה המגיעה מהשמש. מרכיבים ספקטראליים בקרינה זו בתחום האולטרא סגול וה-X-ray גורמים ליינון של מולקולות האוויר וליצירת שכבת פלסמה הנקראת יונוספרה (Ionosphere). הקצב הגבוה של היוניזציה מתרחש בגובה של כ-180Km אולם בשל הצפיפות הגבוהה של מולקולות האוויר בגובה זה, זמן החיים של היונים הוא קצר ומתבצע תהליך של התמזגות (Recombination) עם האלקטרונים החופשיים. ככל שעולים בגובה, צפיפות האוויר קטנה כך שקצב ההתמזגות איטי יותר. עיקר תהליך היינון מתרחש במהלך היום, ועם שקיעת השמש מתבצע תהליך של התמזגות של היונים עם האלקטרונים וצפיפותם יורדת במהלך הלילה. שכבת הפלסמה גורמת בתנאים מסוימים להחזרה של קרינה אלקטרומגנטית המגיעה אליה מפני כדור הארץ, בעיקר בתחומי התדירות הגבוהה (ת”ג), תחום ה-HF. התופעה מאפשרת תקשורת רדיו לטווחים ארוכים מאד, אפילו לצידו האחר של כדור הארץ.
גם את היונוספרה מחלקים לשכבות, כאשר מבחינים בהבדל בין היום ובין הלילה כמתואר בטבלה 2. שכבת D היא השכבה הפנימית ביותר, וגובהה בין 50Km ל-80Km בחלק העליון של המזוספרה. בשכבה זו מיוננות בעיקר מולקולות גז תחמוצת החנקן NO+, אולם קצב התמזגות האלקטרונים עם היונים הוא כה גבוה, כך שהיוניזציה מעטה (צפיפות אלקטרונים של 108-1010 למטר מעוקב). שכבה זו גורמת בעיקר לניחות של גלי רדיו במיוחד בתדרים של מתחת ל-10MHz. מקסימום הבליעה מתרחשת בצהריים, ומתבטא בכך שתחנות רדיו המשדרות בשעות היום בגלים בינוניים (MF) לא נקלטות בטווחים מרוחקים. לעת ערב, שכבת D כמעט ונעלמת ועימה הניחות
בתדרי רדיו אלה. ההפסדים בשכבה
הזו מגדירים את התדר המינימאלי
(Lowest Usable Frequency – LUF) לקיום תקשורת בגלי רקיע.
השכבות הבאות מצויות בתרמוספרה. בשכבת E, המתקיימת בגובה שבין
90Km ל-120Km, מיוננות מולקולות החמצן
O2 וצפיפות האלקטרונים המרבית, 1011 למטר מעוקב, מתקבלת באמצע היום בגובה של כ-100Km. שכבת E מחזירה גלים אלקטרומגנטים בתדרים שמתחת ל-10MHz הפוגעים בה בזווית. בעת שקיעת החמה, ההחזר המתקבל מהחלק העליון של שכבת E מאפשר תקשורת ארוכת טווח, כאשר בלילה היא נעלמת במהירות. לעיתים מופיעים בשכבה זו אזורים דקים של יוניזציה מוגברת הנמשכת דקות ספורות עד מספר שעות. תופעה זו, הנקראת Sporadic E-layer
(או יצירת שכבת ES), מתרחשת בחודשי הקיץ ומאפשרת באופן חריג קליטתן של תחנות מרוחקות מאד באיכות טובה.
צפיפות הפלסמה הגבוהה ביותר היא בשכבת F בגובה של 140Km ועד יותר מ-500Km
והיא האחראית להחזר גלי רקיע בתחום תדרי ה-HF. כאן היונים הם בעיקר של אטומי חמצן O+. במשך היום, שכבה זו מתפצלת לשניים, שכבה F1 בגובה של
140-200Km עם צפיפות אלקטרונים של כ-11 10•3 למטר מעוקב ומעליה שכבה F2 עם צפיפות אלקטרונים של
כ-12 10•2 למטר מעוקב. בלילה השכבות מתמזגות לשכבת F אחת, אשר צפיפות האלקטרונים המקסימאלית, 10 10•8 למטר מעוקב, מתקבלת בגובה השכבה F2 של
כ-250-350Km. כצפוי, בעונת הקיץ, צפיפות היונים בשכבה F2 היא גבוהה ביותר, אולם שינויים בקצב הפיכת מולקולות החמצן לאטומים גורמים לעיתים להפחתה בתהליך היוניזציה גם בעונה זו.
תהליכי היוניזציה בשכבות היונוספרה מושפעות מהמתרחש בשמש. אחד הביטויים לכך הם כתמים שחורים (Sun spots) המופיעים על פני השמש בעת פעילות מגנטית מוגברת, המפחיתה באופן מקומי את הטמפרטורה על פני השמש ל-3,000-4500ºK (כאשר סביבת הכתמים היא בטמפרטורה של כ-5,780ºK). גודל כתמי השמש עשוי להגיע לקוטר של 80,000Km. תצפיות הראו שהם מופיעים מהר יותר מאשר הם נעלמים במחזוריות (Solar cycle) של כל 10.7
שנים.
ריבוי הכתמים דווקא מגדיל את בהיקות השמש (Total Solar Irradiance), בשל האזור הבהיר הקיים סביב הכתמים. איזור זה המכונה Plage, מקרין קרינת אולטרא-סגול וקרינת X בעוצמה מוגברת, דבר המגדיל את היוניזציה של השכבות העליונות של האטמוספרה. פעילות השמש מאופיינת באמצעות מדידת שטף ההספק ליחידת תדר (Spectral irradiance) של הקרינה האלקטרומגנטית הנפלטת בתדר של 2,800MHz (אורך גל של 10.7cm) ביחידות של Solar flux. בעת פעילות מוגברת של השמש (Solar maximum) ניכרים שינויים בשדה המגנטי של כדור הארץ (“סערות מגנטיות”) להן השפעה על תקשורת הרדיו.
ניתן להראות שהמקדם הדיאלקטרי היחסי של הפלסמה כפונקציה של התדר נתון
על ידי:

בביטוי זה מופיעה תדירות הפלסמה , כאשרהוא מספר האלקטרונים ליחידת נפח. בהצבת הקבועים הפיזיקאליים (מטען האלקטרון , מסת האלקטרון , והמקדם הדיאלקטרי של הריק ) מתקבל שתדר הפלסמה ב- [Hz] הוא  (צפיפות האלקטרונים הנפחית נתונה כאן ב- [m-3]). בשכבה F של היונוספרה מספר האלקטרונים למטר מעוקב ביום היא 11 10•2 (בגובה של 120Km) ויורדת לכדי 10 10•8 בלילה (בגובה של 450Km). כתוצאה מכך, תדר הפלסמה נע בין 4MHz בשעות היום לכ-2.5MHz בשעות הלילה. מקדם ההתפשטות בפלסמה נתון על ידי:

ניתן לזהות את תדר הפלסמה  כתדר קיטעון (Cut-off), אשר מתחתיו מקדם ההתפשטות הופך למדומה, הגל האלקטרומגנטי אינו מתקדם אלא דועך (Evanescent) בתוך הפלסמה. על מנת שהגל יתפשט בפלסמה נדרש שהתדר שלו יהיה . במקרה כזה מהירות המופע (Phase velocity) של הגל תהיה:

מהירות החבורה (Group velocity) מחושבת מתוך הנגזרת:

כאשר גל אלקטרומגנטי מגיע מהשכבות הנמוכות של האטמוספרה שאינן מיוננות ופוגע בשכבה ביונוספרה, מתקיימות החזרה (חזרה לאטמוספרה) ושבירה (לתוך היונוספרה). מקדם השבירה של האטמוספרה הבלתי מיוננת שווה בקירוב ל-1 ואילו זה של הפלסמה קטן יותר. מתוך חוק Snell אפשר למצוא את זווית הפגיעה הקריטית  אשר מעליה מוחזר הגל האלקטרומגנטי לאטמוספרה החזרה גמורה (Total internal reflection) (ללא שבירה לתוך היונוספרה), כמתואר באיור 1:

על מנת שתתקיים החזרה גמורה, נדרש שזווית הפגיעה  בשכבת היונוספרה תהיה גדולה מהזווית הקריטית, כלומר . מתנאי זה ניתן לכתוב את תחום התדרים בהם תתקבל החזרה גמורה עבור זווית פגיעה נתונה:

 

מעיון בתוצאה האחרונה, ניכר שככל שזווית הפגיעה  תהיה גדולה יותר, כך ההחזרה מהיונוספרה תתאפשר בתדרים גבוהים יותר.
התדר הקריטי מוגדר כתדר הגבוה ביותר של גל המשודר בכיוון אנכי () ועדיין מוחזר מהיונוספרה. זהו למעשה תדר הפלסמה  של השכבה בעלת ריכוז היונים המקסימאלי.
זווית הפגיעה המקסימאלית היא של קרן שיצאה משיקה לפני כדור הארץ (ראה איור 7.11). ניתן לחשב אותה אם ידוע גובה שכבת היונוספרה  מעל פני הים:

כאשר רדיוס כדור הארץ הוא . הדבר מאפשר לקבוע את התדר המקסימאלי (Maximum Usable Frequency) לקיום התנאי להחזרה גמורה מהיונוספרה:

לתדר זה, לא תימצא קרן אשר תגיע מפני כדור הארץ לשכבת היונוספרה וגם תוחזר ממנה החזרה מלאה. התדר המינימאלי (Lowest Usable Frequency) הוא התדר הנמוך ביותר של הגל המצליח לעבור את שכבת D, להגיע לשכבות היונוספרה הגבוהות ועדיין להיות מוחזר מהן בעוצמה אשר ניתנת לקליטה על פני כדור הארץ. בתקשורת ארוכת טווח העושה שימוש בגלי רקיע המוחזרים מהיונוספרה, נהוג לשדר בתדר הגבוה מה-LUF, ואשר ערכו הוא כ-80% מערך ה-MUF. מצאנו למעשה את תחום זוויות הפגיעה  של גל רקיע המשודר ליונוספרה בתחום התדרים  ומוחזר אל פני כדור הארץ:

ניגש עתה לחישובי טווחי התקשורת האפשריים באמצעות גלי רקיע בתחום תדרים זה. המרחק המקסימאלי בין שתי הנקודות על קשת פני כדור הארץ ביניהן תתקיים תקשורת, נקבע על ידי קרן המשודרת במקביל לפני כדור הארץ, לכוון האופק (קרן אנכית לרדיוס כדור הארץ הפוגעת ביונוספרה בזווית ). הוא תוצאה של הגיאומטריה בלבד:

הגרפים באיור 2.a מתארים את תדר ה-MUF והטווחים בהם מתקיימת תקשורת בגלי רקיע המוחזרים משכבות היונוספרה השונות.
המרחק המינימאלי נקבע על ידי זווית הפגיעה הקריטית  להחזרה גמורה. נשתמש תחילה במשפט הסינוסים לחישוב הזווית  בין הקרן המשודרת לבין רדיוס כדור הארץ (ראה איור 2.a):

המרחק המינימאלי בין שתי הנקודות על קשת פני כדור הארץ ביניהן תתקיים תקשורת נקבע על ידי הזווית הקריטית להחזרה מלאה, ולכן הוא גם פונקציה של תדר השידור:

הטווחים המינימאלים אליהם מגיעות הקרניים על פני כדור הארץ נתונים באיור 2.b עבור החזרים מהיונוספרה בגבהים שונים. טבלה 3 מסכמת את ההחזרה מהשכבות השונות.
פרופ’ יוסף פנחסי (52) הוא דיקן הפקולטה להנדסה באוניברסיטת אריאל בשומרון. תחום התמחותו הוא בנושאים של עירור קרינה אלקטרומגנטית ושימושיה לתקשורת אלחוטית, חישה מרחוק והדמיה. מחקריו עוסקים בפיתוח תיאוריות במרחב התדר לניתוח אינטראקציות רחבות סרט ומפולגות בין שדה אלקטרומגנטי ותווך, כפי שהן מתבטאות במקורות קרינה רבי עוצמה, לייזרים ומייזרים ובהתפשטות קרינה בחומרים דיאלקטריים, במוליכי גלים, בקווי תמסורת ובאטמוספרה. במסגרת זו, הוא בוחן את השפעות התווך על הביצועים של מערכות תקשורת ומכ”ם אלחוטיות הפועלות בתחום תדרים רחב, כולל גלים מילימטרים ותת-מילימטרים (Tera-Hertz) ופיתח טכניקות פאסיביות ואקטיביות לגילוי מרחוק של עצמים מוסתרים.
פרופ’ יוסי פנחסי כתב את הספרים “היסודות הפיזיקליים של התקשורת האלקטרונית” “תקשורת ספרתית ומודמים” ו”תקשורת אלחוטית בגלי רדיו”, בהם מוצגים היסודות התיאורטיים וההיבטים הפיזיקליים הקשורים בעיבוד והעברה של אותות במערכות תקשורת, כמו גם טכניקות שידור וקליטה בערוץ תקשורת אלחוטי, תוך דיון מעמיק במנגנוני רעש מאזני תקשורת במתארים שונים ומגבלות תחום דינמי בערוץ כזה.