גלי רקיע - תקשורת ארוכת טווח

לפני עידן הלוויינים, תקשורת אלחוטית לטווחים של מאות ואלפי קילומטרים התבצעה בתחום התדר הגבוה (ת"ג) המוגדר בין 3 ל-30 מגה-הרץ. 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. המכ”מ שפעל בתחום הת"ג נועד לגלות שיגור טילים במרחקים של למעלה מ-1,000 ק"מ.

האטמוספירה: 
האטמוספרה היא מעטה של אוויר המורכב מתערובת של גזים ומקיף את כדור הארץ עד לגובה של עשרות קילומטרים. 

הרכב הגזים באטמוספירה: 
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).

מחלקים את האטמוספרה לשכבות המאופיינות בתכונות שונות. 

הטרופוספרה: 
השכבה הנמוכה ביותר היא הטרופוספרה והיא מכילה כ-75% מהמסה הכוללת של האטמוספרה. היא מתחילה מפני כדור הארץ וגובהה נע בין 8 ק"מ בקטבים ל-18 ק"מ בקו המשווה. 

הסטרטוספרה: 
מעליה נמצאת שכבת הסטרטוספרה עד לגובה של כ-50 קילומטרים והיא מכילה בין היתר את שכבת האוזון. 

המזוספרה: 
השכבה הבאה היא המזוספרה עד לגובה של כ-80 ק"מ ומעליה שכבת התרמוספרה עד לגובה של כ-650 ק"מ. 

התרמוספרה - יונוספירה: 
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.

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-180 ק"מ. 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. 

שכבת D היא השכבה הפנימית ביותר, וגובהה בין 50 ק"מ ל-80 ק"מ 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 עשר בחזקת 8 עד 10 למטר מעוקב). שכבה זו גורמת בעיקר לניחות של גלי רדיו במיוחד בתדרים של מתחת ל-10 מה"ץ. 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 90 ק"מ ל-120 ק"מ, מיוננות מולקולות החמצן O2 וצפיפות האלקטרונים המרבית, 1011 למטר מעוקב, מתקבלת באמצע היום בגובה של כ-100 ק"מ. שכבת E מחזירה גלים אלקטרומגנטים בתדרים שמתחת ל-10 מה"ץ 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 140 ק"מ ועד יותר מ-500 ק"מ 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 140-200 ק"מ 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-250-350 ק"מ. 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.

השפעת השמש על היוניזציה:
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 80,000 ק"מ. 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 2,800 מה"ץ (אורך גל של 10.7 ס"מ) 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.