התפשטות גלי רקיע בתדר גבוה (ת"ג)
מה חשיבותם?
חיזוי תנאי תקשורת עבור חובבי רדיו

כיום חובבי רדיו מתקשרים זה עם זה בעיקר בתחומי הגלים הקצרים (HF) והקצרים מאד (VHF-UHF)
ובמדינות המאפשרות זאת גם בתחומי הגלים הארוכים.

---

חשיבות השימוש בגלים קצרים (תדירות גבוהה - ת"ג)

גלי רקיע משמשים לתקשורת שאינה דורשת מערכות ממסר עבור שידורים לציבור (Broadcast), ניהול שיחות (בין שתי תחנות או ועידה רבת משתתפים), העברת נתונים ספרתיים לרבות תכתובות, מערכות ניווט ומערכות מעקב. מערכות תקשורת כאלו אינן דורשות תשתית של ממסרים שעלולים לקרוס בעקבות אסונות טבע, מלחמות וכיוב'

---

לידתו מחדש של תחום הת"ג

עד שנות ה-60 של המאה העשרים, התקשורת העולמית התבססה בעיקר על גלי רקיע בתחום הת"ג.
מאז שנות ה-70 לווייני התקשורת החליפו כמעט לחלוטין את השימוש בגלי רקיע. הדומיננטיות שלהם נמשכת גם כיום.
יחד עם זאת אנו עדים החל משנת 2010 בערך לחזרה לשימוש בגלי רקיע.
הסיבות לכך: (1) טכנולוגיות החלל יקרות, (2) במקרים מסוימים הלווינים פגיעים, (3) לא ניתן לקבל כיסוי עולמי מלא באמצעות לווינים, ו-(4) טכנולוגיות חדשות מאפשרות שיפור ניכר של איכות התקשורת בתחום הת"ג.
הטכנולוגיות החדשות כוללות, אפנון ספרתי, "ספקטרום מפוזר", "דילוג תדר", ו-Automatic link establishment (ALE). בנוסף לא נדרשת כיום מיומנות הפעלה (של מכשירי קשר מודרנים) כפי שהיה עד שנות ה-60 של המאה שעברה.

---

"גלים קצרים" מתפשטים בשלושה אופנים בסיסיים:

1. קו ראיה ^{גל ישיר ללא החזרים (Line of Sight - LOS)}
2. גלי קרקע
3. גלי רקיע

ריבוי נתיבים (Multipath)

בפועל גלי הרדיו מגיעים אל אנטנה קולטת ביותר מנתיב אחד, עקב שבירה והחזרה יונוספירית, החזרה מהרים, גופי מים ו/או מבנים מלאכותיים. התופעות הנגרמות כתוצאה מריבוי נתיבים כוללות התאבכות וכן הזחות במופע של האות.

גלי קרקע

גלי קרקע (גלי משטח) בקיטוב אנכי בלבד נעים על פני משטח מוליך, בעיקר מעל מים מלוחים או קרקע מלוחה ורטובה, מושפעים מעט מהתבליט של פני הקרקע ויותר מהמוליכות של פני השטח. הטווח האפקטיבי של גלי משטח הולך ומתקצר עם עליית התדירות. לא יעיל בתדרים מעל ל-2 מה"ץ ולכן לא אפקטיבי עבור תקשורת בת"ג.

רשימת מקורות באנגלית (Ground wave) ^{ר' ויקיפדיה בעברית}

גלי רקיע

המונח באנגלית לגלי רקיע Skywave ^{ר' ויקיפדיה בעברית}

---

כדי להבין מהם גלי רקיע מן ראוי להסביר מהי היונוספירה (Ionosphere).
זהו אזור באטמוספירת כדור הארץ (בגבהים בין 50 ל-700 ק"מ), שבו קיימת פלזמה (תערובת של מולקולות גז מיוננות ואלקטרונים חופשיים), שנוצרת כתוצאה מקרינת השמש בתחום האולטרא-סגול. האלקטרונים חופשיים (שמרכיבים את פלזמה) גורמים לשינוי הכיוון שבו מתפשטים גלי רדיו, עד כדי החזרה שלהם אל פני הקרקע.

גלי רקיע מגיעים אל שכבת היונוספירה (איור מס' 2) מוחזרים בתנאים מסויימים אל פני כדור הארץ, ומכדור הארץ (בעיקר מהאוקיינוסים) בחזרה אל היונוספרה, וכך הלאה. הטווח האפקטיבי שלהם מאפשר ב"תנאים טובים" כיסוי של כל כדור הארץ.

דילוגים אלו מאפשרים לשידורים בגלים קצרים להגיע לאזורים רחוקים במרחק של אלפי קלוממטרים.

נוהגים לחלק את היונוספירה לאיזורים שמסומנים באותיות E, D ו-F.
איור מס' 3 מציג את הריכוז (הממוצע) של אלקטרונים חופשיים בגבהים שונים.

ר' בדף באנגלית תקציר שכולל הסברים על מה מייחד את כל אחת מהשכבות (E, D ו-F)? מה הגובה האופייני של כל שכבה? איזה מולקולות מיוננות אופייניות לכל שכבה? ומה הקווים הספקטרליים של קרינת השמש שגורמים ליינון כל שכבה? ^{[1, 2]}

טווחי ההתפשטות של הגלים הקצרים משתנים בין יום ולילה, עונות השנה, "פעילות השמש" ועוד.

לדוגמה, תדרים נמוכים מ-10 מה"ץ מגיעים רחוק יותר בלילה, ותדרים מעל 10 מה"ץ יעילים לתקשורת בשעות היום. גם "מזג האוויר החללי" (רוח השמש), משפיע על המגנטוספירה של כדור הארץ, ששינויים בה משפיעים על תנאי הקשר בגלים הקצרים.

המודל הפשוט מדבר על שכבות (הומוגניות), בעוד שבמציאות פילוג היונים והאלקטרונים החופשיים (Plasma) דומה יותר ל"עננים".

NVIS

חשוב לציין אופן התפשטות מיוחד "החזר כמעט אנכי, מגלי רקיע"

אופן התפשטות זה מנוצל לתקשורת פנים ארצית במרחקים של עד 500 ק"מ בעיקר באזורים הטרופיים, כאשר התדרים היעילים בין 2 ל-8 מגה-הרץ.

חובבי הרדיו בישראל קיבלו לפני מספר שנים אישור מוגבל לשדר בתחום 60 מ' / 5 מגה-הרץ. תחום זה נופל באמצע טווח התדרים היעיל ליישום השיטה. השידור נעשה כלפי מעלה בזוית כמעט אנכית כשהיונוספרה (שכבה F2) מחזירה את האותות כלפי מטה. קשר טוב מאד אפשרי בטווח של כ-200 ק"מ סביב המשדר ולא יותר מכ-500 ק"מ.

שימוש ב- NVIS הוא הפתרון היחיד לביצוע קשר (בתחום הת"ג) בטווחים קצרים, באיזור הדילוג (Skip Zone / Dead Zone ר' Dead Zone באיור 1) ובמיוחד באזורים הרריים, מיוערים, בתדרים ובמקומות שגלי קרקע אינם אפקטיביים.

שידור NVIS נעשה ישירות כלפי מעלה והיונוספרה מחזירה את האותות בחזרה כלפי מטה לשטח ברדיוס 0-500 קילומטר מסביב למשדר. שיטה זו מיושמת בעיקר בתחומי התדרים המיועדים לאזורים הטרופיים ומאפשרת כיסוי נרחב בעזרת משדר אחד הנמצא במרכז השטח המיועד לכיסוי השידורים.

האנטנות המתאימות לכך צריכות עם עקום קרינה (radiation pattern) אנכי, למשל: דיפול בגובה של לא יותר מ- 0.15 אורך גל (אפשר להוסיף מחזיר), או לופ-מגנטי.

חיזוי תנאי התקשורת כעת

כיום (2024) ניתן לחזות את תנאי התקשורת בגלי החובבים בתחומי ת"ג לפי איזורים, בזמן קצר מאד ביחס למה שהיה נהוג בעבר ובאופן הרבה יותר מדויק.

חובבי רדיו מיומנים נוהגים לנטר ו/או לדמות תנאי התפשטות גלים באמצעות אפליקציות ורשתות ייעודיות באינטרנט.

בדף בשפה האנגלית מוצגים אתרים שמדווחים באופן שוטף על קשרי רדיו בין חובבים. מנתונים אלו ניתן ללמוד בזמן אמת:

א. באיזה גלים יש כעת פעילות של חובבים ובאיזה איזורים בעולם.

ב. הפרויקט הכי ותיק שהופעל (בטרם חובבי הרדיו השתמשו במחשבים אישיים) הוא רשת של שמונה עשרה (18) משואות המשדרות אותות מורס (CW) בחמישה גלים. כל משואה משדרת פעם אחת בכל גל (המיועד לחובבי רדיו) אחת לשלוש דקות, 24 שעות ביממה. מהאזנה קצרה למשואות ניתן לקבל תוך דקות מושג על תנאי התקשורת הפוטנציאלית בגל נתון לכל איזור בעולם.

ג. ניתן לדעת על התנאים בדקות הקרובות על פי התדר השימושי העליון שנמדד ע"י "רדאר" יונוסונד

ד. בנוסף ניתן לעקוב אחר תנאי התקשורת מסביב לכדור הארץ בהתבסס על פעילות השמש, "מזג אוויר בחלל" (Space Weather) וחישה מרחוק של היונוספירה ושכבותיה. האתר בשפה האנגלית כולל (בין השאר):

1. הסברים על אופני התפשטות הגלים ביונוספירה
2. מהו הקו האפור? תנאי תקשורת גלובליים
3. תנאי תקשורת איזוריים ומקומיים
4. מפת תכולת האלקטרונים החופשיים (TEC) לפי איזורים (ללא אבחנה בין השכבות, D, E, ו-F).
5. מה התדר השימושי העליון שנמדד באיזור מסויים, מאיזה גובה/שכבה מתקבלת החזרה והסבר כיצד מבצעים את המדידות? (יונוסונד)
6. סוגי התצפיות בזמן אמת, כיצד מבוצעות ועל ידי מי?
7. כיצד משפיעה קרינת השמש על תנאי ההתפשטות של הגלים הקצרים?
8. מהם מדדי השמש?
   
9. מהו "מזג אוויר החללי" (Space Weather)?
10. תצפיות של כתמי השמש
11. תחזיות של כתמי השמש
12. מהי רוח השמש?
13. מהי פעילות חריגה של השמש?
ועוד.

---

תדר שימושי עליון - תש"ע MUF

התדר השימושי העליון (MUF) הוא תדר הרדיו הגבוה ביותר שניתן להשתמש בו לשידור בין שתי נקודות באמצעות החזרה מהיונוספירה (התפשטות גלי רקיע או "דילוג") בזמן מוגדר, ללא תלות בהספק המשדר. אינדקס זה שימושי במיוחד לגבי שידורי גלים קצרים. התדר האופטימלי לקיום קשר (OTF) הוא כ- 85% מהתש"ע.

יונוסונד

יונוסונד מכ"ם יונוספרי שהומצא ב-1925 על ידי גרגורי ברייט ומרל א. טוב ופותח בהמשך על ידי מספר פיזיקאים, כשהבולט ביניהם הוא אדוארד ויקטור אפלטון. היונוסונד משדר אנכית פולסים של אותות רדיו בתדרים גבוהים (3-30 מה"ץ), שהדיהם מנותחים על מנת למדוד את פילוג הפלזמה (צפיפות האלקטרונים החופשיים ביחידת נפח) בגבהים מ-50 עד כ-700 ק"מ.

התוצר של ניתוח ההדים הוא יונוגרמה - ייצוג גרפי של ריכוזי יונים ואלקטרונים חופשיים בשכבות שונות של היונוספירה.

יונוגרמות מכילות בדרך כלל ייצוג כפול;
(1) סדרה של קווים אופקיים פחות או יותר המייצגים את הגובה הווירטואלי בו תתרחש החזרה של פולס א"מ, כפונקציה של תדר העבודה
(2) עקומה בכיוון אנכי המייצגת את ריכוז האלקטרונים (N) לסנטימטר מעוקב' כפונקציה של גובה, N (h).

המאפיינים היונוספריים משתנים באזורים שונים על פני כדור הארץ לפי שעות היממה, עונות השנה ומחזור כתמי השמש.

מה תנאי התפשטות גלים כעת?

ראו למטה שלוש מפות עדכניות:

1. המפה הראשונה מציגה (בעיגולים הצהובים והירוקים) את התדר הקריטי - התדר הגבוה ביותר שמוחזר משידור אנכי;
2. המפה השנייה מציגה את התדר השימושי העליון (תש"ע) לתקשורת בטווח של 3000 ק"מ;
3. המפה השלישית היא אנימציה שמראה כיצד השתנה התש"ע במהלך 24 השעות האחרונות.

מפות אלו כוללות (בצורה לא מפורשת) השפעת סערות גיאומגנטיות ו"עננים יונוספריים", אבל לא ניתן לחזות באמצעותן כיצד ישתנו תנאי התקשורת בזמן הקרוב. לכן, הן אינן מתאימות לחיזוי תנאים עבור רדיו מסחרי. כעת מפתחים מודלים משופרים.

1. מפת תדר קריטי לשידור אנכי עבור חובבי רדיו
באדיבות Andrew Rodland, KC2G, מתעדכנת כל 15 דקות 2. מפת תדר שימושי עליון לטווח 3000 ק"מ באנגלית "MUF 3000" עבור חובבי רדיו

האזורים הצבעוניים של שלוש המפות הנ"ל מתוחמים על ידי קווי מתאר של התדר השימושי העליון, בהתייחס לגלי החובבים: 60, 40, 30, 20, 17, 15, 12, 10 מטר
ובמונחי תדר: 5.3, 7, 10.1, 14, 18, 21, 24.8 ו-28 מגה-הרץ.

הנתונים הגולמיים שמשמשים ליצירת המפה נאספים ברציפות על ידי תחנות יונוסונד (מכ"מים יונוספריים) המפוזרים ברחבי העולם, במיקומים המסומנים על ידי עיגולים צבעוניים, שבתוכם מספר המציין את התדר הקריטי העליון (f0F2) שנמדד במקום מסויים. המידע מהתחנות נאסף על ידי NOAA ו-Giro ומעובד לפי מודל של IRI.

מפות תש"ע לטווח 3000 ק"מ מציגות את ה-MUF במרכז נתיב בין שני מיקומים נבחרים. כך ניתן להעריך את האפשרות של קיום קשר DX יציב בגל חובבים מסוים. לדוגמה, אם ה-MUF (המצוין בדיסקה שנמצאת מעל מרכז הנתיב) הוא 12 מגהרץ, אז הקשר הטוב ביותר יושג בגל של 30 מטר, אך לא יעבוד בגל של 20 מטר. בטווח שניתן לקיים קשר בדילוג אחד התדר הטוב ביותר יהיה נמוך מה-MUF המצוין.
ככל שמתקרבים לקרינה אנכית, כלומר למצב NVIS, התדר היעיל יורד לתדר היונוספרי הקריטי, f0F2.
בקשר רב דילוגים מה שקובע הוא ה-MUF הגרוע ביותר לאורך נתיב נתון.

עננים יונוספריים

בדומה לעננים המכילים אדי מים בשכבות האטמוספירה הנמוכות כך יש גם "עננים יונוספריים", שהם ריכוזים משתנים של פלזמה (יונים ואלקטרונים חופשיים) בשכבות E ו-F של היונוספירה.

יונים ואלקטרונים חופשיים נעים ללא הרף ביונוספירה. גם ל"מזג האוויר בחלל" וגם לתנאי מזג אויר חריגים בטרופוספירה של כדור הארץ יש השפעה על התפלגות האלקטרונים החופשיים בשכבות היונוספירה, D, E ו-E. "ענני אלקטרונים" אלה לעתים משפרים ולעתים משבשים תקשורת ת"ג ובמקרים חריגים גם קשר לווינים בתא"ג לפרקי זמן קצרים יחסית.

כיצד מגלים "עננים יונוספריים"?

האתר באנגלית כולל הסברים בנושא עננים פלזמה יונוספריים והשיטות לנתר את ריכוזיהם ותנועתם במרחב.

ניתור "עננים יונוספריים" (ריכוזיהם ותנועתם) מתבצע באמצעות:

1. Digisonde Directogram

 
2. Super Dual Auroral Radar Network (SDARN)

---

עד כאן על קצה המזלג.
בקישור הבא פירוט והרחבה של כלל הנושאים הרלוונטיים להתפשטות גלים בדף בשפה האנגלית

---

מקורות בעברית:

גלי קרקע (גלי משטח) | גלי רדיו | גלי רקיע | גלים אלקטרומגנטיים | גלים קצרים | התפשטות גלים קצרים | התפשטות גלי רדיו | התפשטות גלים קצרים | חובב רדיו | חובבות רדיו | חובבי רדיו | חיזוי התפשטות גלים | חיזוי תנאי תקשורת בגלי חובבים | טווח גלי הרדיו והתפשטותם | יונוספירה | מה זה תדר גבוה | קרינה אלקטרומגנטית | רדיו מוגדר תוכנה | תנאי קשר רדיו בת"ג | תנאי תקשורת HF | תנאי תקשורת בגלים קצרים | תנאי תקשורת - חובבי רדיו | תקשורת rf | תחזיות התפשטות גלי רדיו בתחום ת"ג | תקשורת אלחוטית | תנאי תקשורת | תקשורת אלחוטית בגלי רדיו

מקורות באנגלית