ناحیهٔ پوشش هواىی موج: منطقه‌ای که امواج یونوسفری را دریافت می‌کند

آشنایی با ناحیه‌ی پوشش هوایی موج (موج آسمانی)

امواج رادیویی: پیام‌رسانان نامرئی

قبل از پرداختن به ناحیه پوشش، باید با مفهوم امواج رادیویی آشنا شویم. امواج رادیویی، مانند امواج نور و صدا، نوعی انرژی هستند که در فضا منتشر می‌شوند. اما تفاوت اصلی آنها در فرکانس است. فرکانس یعنی تعداد دفعاتی که موج در یک ثانیه بالا و پایین می‌رود (نوسان می‌کند). ما فرکانس بالا را با واحد MHz (مگاهرتز) یا kHz (کیلوهرتز) اندازه می‌گیریم.

یک مثال ساده: اگر شما یک سنگ را در برکه‌ی آب بیندازید، امواجی دایره‌ای روی آب پخش می‌شوند. امواج رادیویی هم شبیه به این امواج آب هستند، با این تفاوت که در فضای اطراف ما حرکت می‌کنند و ما آنها را نمی‌بینیم. رادیوهای ماشین، شبکه‌های تلفن همراه و برنامه‌های تلویزیونی همگی از امواج رادیویی برای ارسال صدا و تصویر استفاده می‌کنند.

یونسفر: آینه آسمانی سیگنال‌های رادیویی

اتمسفر زمین چندین لایه دارد. یکی از مهم‌ترین این لایه‌ها برای ارتباطات رادیویی دوربرد، یونسفر نام دارد. این لایه در ارتفاع تقریبی 60 تا 1000 کیلومتری از سطح زمین قرار گرفته است. نام آن از کلمه «یون» گرفته شده است. در این ارتفاع، تابش پرانرژی خورشید، باعث می‌شود برخی از اتم‌های گازهای جو، الکترون از دست بدهند و به ذرات باردار مثبت و منفی (یون و الکترون) تبدیل شوند. وجود این ذرات باردار، خاصیت الکتریکی به لایه می‌دهد.

وقتی یک موج رادیویی با فرکانس مناسب به این لایه‌ی یونی می‌رسد، مانند نوری که به یک آینه برخورد می‌کند، منعکس می‌شود یا مسیر آن مانند عبور نور از شیشه، خمیده می‌شود. این انعکاس یا شکست باعث می‌شود موج به سمت زمین بازگردد و در نقطه‌ای دورتر از فرستنده، دوباره دریافت شود.

ناحیه پوشش هوایی موج چگونه شکل می‌گیرد؟

حالا می‌توانیم ناحیه پوشش هوایی موج را تعریف کنیم: این ناحیه، تمام مناطق روی زمین است که یک سیگنال رادیویی خاص، پس از یک یا چند بار انعکاس بین یونسفر و سطح زمین، در آنجا قابل دریافت است. این پدیده برخلاف انتشار دید مستقیم³ است که در آن موج فقط تا افق دید حرکت می‌کند.

تصور کنید یک فرستنده رادیویی قوی در تهران قرار دارد. امواج آن به سمت آسمان فرستاده می‌شوند. بخشی از این امواج، به جای ادامه مسیر در فضا، در لایه F2 یونسفر گیر کرده و مانند توپی که به زمین بسکتبال برخورد می‌کند، به زمین بازمی‌گردند. نقطه‌ی فرود آنها ممکن است شهر مشهد باشد! سپس از زمین دوباره به یونسفر بازتابیده می‌شوند و این چرخه ادامه می‌یابد. بنابراین ساکنان شهرهای دور و نزدیک در مسیر این "پرش‌ها" می‌توانند برنامه رادیویی تهران را دریافت کنند. این مجموعه مناطق، همان ناحیه پوشش هوایی موج است.

فرکانس بحرانی و بیشترین فرکانس قابل استفاده

همه فرکانس‌ها نمی‌توانند از یونسفر بازگردند. یک رابطه کلیدی وجود دارد: برای یک زاویه تابش مشخص، هر لایه از یونسفر یک فرکانس بحرانی⁴ دارد. امواج با فرکانس پایین‌تر از این مقدار، به زمین بازمی‌گردند و امواج با فرکانس بالاتر، از یونسفر عبور کرده و در فضا گم می‌شوند.

یک مفهوم دیگر به نام بیشترین فرکانس قابل استفاده⁵ وجود دارد که برای ارتباط بین دو نقطه خاص محاسبه می‌شود. فرمول ساده شده آن به صورت زیر است: $f_{max} = f_c \times \sec(\theta)$ در اینجا: $f_c$ فرکانس بحرانی، $\theta$ زاویه تابش موج نسبت به عمود بر یونسفر است، و $\sec$ تابع سکانت است.

مثال عملی: اگر ایستگاه رادیویی بخواهد با یک شهر بسیار دور ارتباط برقرار کند، باید موج را با زاویه کم (تقریباً افقی) به سمت یونسفر بفرستد تا پرش بلندتری داشته باشد. در این حالت $\theta$ بزرگ است و $f_{max}$ افزایش می‌یابد. یعنی می‌توان از فرکانس‌های بالاتری برای ارتباط استفاده کرد که معمولاً کیفیت بهتری دارند.

از رادیوهای موج کوتاه تا رادارهای فرافکن: کاربردهای پرش آسمانی

درک ناحیه پوشش هوایی موج به ما کمک کرده تا چندین فناوری مهم را توسعه دهیم:

۱. رادیوهای موج کوتاه (SW): شناخته‌شده‌ترین مثال هستند. ایستگاه‌های رادیویی بین‌المللی مانند رادیو بی‌بی‌سی یا صداهای آمریکا از فرکانس‌های موج کوتاه (3-30 MHz) استفاده می‌کنند تا برنامه‌های خود را به سراسر جهان برسانند. یک شنونده در آسیا می‌تواند برنامه‌ای از اروپا را در شب به راحتی دریافت کند، زیرا در شب لایه جاذب D ناپدید می‌شود و لایه F قوی‌تر عمل می‌کند.

۲. ارتباطات اضطراری و نظامی: در مواقع بلایای طبیعی که زیرساخت‌های زمینی مخابرات از بین می‌روند، ارتباطات موج کوتاه مبتنی بر یونسفر می‌تواند آخرین راه ارتباطی مطمئن باشد.

۳. رادارهای فرافکن⁶: این رادارهای ویژه، سیگنال‌های قدرتمندی را به سمت یونسفر می‌فرستند. با تحلیل سیگنال بازگشتی، می‌توانند فعالیت‌های خورشیدی، طوفان‌های ژئومغناطیسی و حتی حرکت اجسام پرنده در فاصله‌های بسیار دور را ردیابی کنند.

۴. ارتباطات آماتوری (هام رادیو): بسیاری از علاقه‌مندان به رادیو در خانه، با دستگاه‌های موج کوتاه و با استفاده از پرش یونسفری، با افراد در قاره‌های دیگر گفتگو می‌کنند و کارت تبریک (QSL) مبادله می‌کنند.

چالش‌ها و محدودیت‌های پرش یونسفری

این روش ارتباطی با وجود مزایا، معایبی نیز دارد که آن را برای ارتباطات روزمره مانند تلفن همراه نامناسب می‌سازد:

• ناپایداری: قدرت و کیفیت سیگنال دریافتی می‌تواند به سرعت تغییر کند (پدیده فیدینگ⁷). ممکن است در وسط شنیدن یک آهنگ، صدا ضعیف شده یا نویز زیاد شود.

• پهنای باند کم: این روش برای انتقال حجم بالای داده (مانند ویدیوی اینترنتی) مناسب نیست و بیشتر برای صدا و تلگراف به کار می‌رود.

• تاخیر زمانی: موج برای پرش بین زمین و یونسفر زمان نیاز دارد. این تأخیر در ارتباطات صوتی قابل توجه است و در ارتباطات ماهواره‌ای مدرن کمتر دیده می‌شود.

• اثر چندمسیری⁸: یک سیگنال ممکن است از چند مسیر مختلف (مثلاً یک پرش و دو پرش) به گیرنده برسد که باعث ایجاد اعوجاج در صدا می‌شود.

پرسش‌های متداول و اشتباهات رایج

پاورقی

¹ یونسفر (Ionosphere): لایه‌ای از اتمسفر زمین که در اثر تابش خورشید یونیزه شده و حاوی ذرات باردار است. نقش آینه را برای امواج رادیویی با فرکانس خاص ایفا می‌کند.
² فرکانس (Frequency): تعداد چرخه‌های کامل یک موج در یک ثانیه، با واحد هرتز (Hz) اندازه‌گیری می‌شود.
³ انتشار دید مستقیم (Line-of-Sight Propagation): روش انتشار امواج رادیویی که در آن فرستنده و گیرنده باید در دید مستقیم یکدیگر باشند.
⁴ فرکانس بحرانی (Critical Frequency - $f_c$): بالاترین فرکانسی که وقتی به صورت عمود بر یونسفر تابانده شود، هنوز منعکس می‌گردد.
⁵ بیشترین فرکانس قابل استفاده (Maximum Usable Frequency - MUF): بالاترین فرکانسی که برای ارتباط بین دو نقطه خاص در یک زمان معین، با استفاده از انعکاس یونسفری قابل استفاده است.
⁶ رادار فرافکن (Over-the-Horizon Radar - OTHR): نوعی رادار که با استفاده از انعکاس از یونسفر، می‌تواند اجسام را در فواصل بسیار فراتر از افق ردیابی کند.
⁷ فیدینگ (Fading): نوسان در قدرت سیگنال دریافتی به دلیل ترکیب امواجی که از مسیرهای مختلف می‌رسند.
⁸ اثر چندمسیری (Multipath Effect): هنگامی که یک سیگنال از مسیرهای مختلف (مستقیم، منعکس شده) به گیرنده می‌رسد و باعث ایجاد تداخل و اعوجاج می‌شود.