การเดินทางของคลื่นตามปกติ
คลื่นวิทยุนั้นเดินทางได้หลากหลายวิธี วิธีที่เป็นพื้นฐานที่สุดก็คือเดินทางเป็นเส้นตรง เรียกว่าถ้ามองเป็นสายอากาศของกันและกันล่ะก็ย่อมสามารถติดต่อกันได้ เพราะคลื่นวิทยุเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดหนึ่ง (เหมือนแสง) โดยปกติแล้วจะเดินทางเป็นเส้นตรงจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่ง ในกรณีของเราก็คือจากสายอากาศหนึ่งไปยังสายอากาศอีกต้นหนึ่ง แต่อย่าลืมว่า แสง ก็สามารถสะท้อนและหักเหได้ คลื่นวิทยุก็เช่นกัน เช่น ที่ความถี่สูง (HF) คลื่นอาจจะเดินทางหักเหเลี้ยวเบนบนบางชั้นบรรยากาศเหนือผิวโลกขึ้นไป ทำให้สามารถติดต่อได้ไกลขึ้น แต่ก็ไม่ได้เป็นเช่นนั้นตลอดเวลา บางครั้งก็ติดต่อได้บางทีก็ไม่ได้ ถึงจะติดต่อได้ก็อาจจะรับสัญญาณได้ไม่ชัดเจนต้องอาศัยประสบการณ์และทักษะการรับฟังที่ดีอีกด้วย (ทักษะการฟังสำคัญที่สุดในการเป็นนักวิทยุสมัครเล่น) ไม่เช่นนั้นก็ฟังไม่ออกอีก นี่เองเป็นความสนุกที่ซ่อนอยู่ในการใช้งานคลื่นวิทยุย่าน HF
ชั้นบรรยากาศของโลก
โลกเราประกอบไปด้วยพื้นผิวโลกและบรรยากาศที่ล้อมโลกอยู่หลายชั้น และมีคุณสมบัติเปลี่ยนไปแล้วแต่ว่าเป็นเวลากลางวันหรือกลางคืน สิ่งที่ทำให้ชั้นบรรยากาศไม่เหมือนกันระหว่างกลางวันและกลางคืนก็คือดวงอาทิตย์นั่นเอง ในเวลากลางวันดวงอาทิตย์ส่องแสงและพลังงานหลากหลายรูปแบบลงมายังชั้นบรรยากาศของโลก ทำให้เกิดชั้นบรรยากาศขึ้นหลายชั้นตามการแตกตัวและการรวมตัว (recombination) ของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าต่างๆ
การสะท้อนคลื่นในชั้นบรรยากาศต่างๆ (ในสภาพการณ์ปกติ)
D - จำง่ายๆ ว่า D คือ Daylight เกิดเฉพาะในเวลากลางวัน ในช่วงกลางคืนจะไม่มีชั้นบรรยากาศ D นี้ ชั้นนี้เป็นผลมาจากแสงอาทิตย์ทำให้เกิดการแตกตัวของประจุไฟฟ้า ชั้นนี้อยู่สูงจากพื้นโลก 60-90 กม. ความถี่ต่ำ (LF) คลื่นจะสะท้อนกลับที่ชั้น D นี้ และจะดูดซึมคลื่น (absorb) ทำให้เกิด loss ยิ่งความถี่ต่ำยิ่งถูกดูดซึมมากเป็นสัดส่วนยกกำลังสอง นั่นคือความถี่ต่ำลงสองเท่าจะถูกดูดซึมเป็นสี่เท่า จึงเป็นเหตุให้ความถี่ต่ำทะลุผ่านไปได้น้อยมาก (ย่าน 1.8 MHz , 3.8 MHz ถูกดูดซึมมากจนอาจจะหายไปเลย และความถี่ย่าน 14 MHz และ 28 MHz จะถูกดูดซึมน้อยลง และทะลุขึ้นไปชั้น E ได้)
แต่ถ้าเราเพิ่มความถี่สูงขึ้นจนเกินความถี่วิกฤต (critical frequency) คลื่นก็จะทะลุบรรยากาศชั้น D, E และ F ไปหมดโดยไม่สะท้อนกลับมายังโลก ในช่วงกลางวัน ความถี่วิกฤตจะอยู่ประมาณ 6m (50 MHz โดยไปสะท้อนที่ชั้น F) แต่อาจจะมากหรือน้อยกว่านี้ขึ้นกับสภาพอากาศด้วย (การสื่อสารย่าน 6m จึงดีในช่วงกลางวันเท่านั้น)
ในช่วงกลางคืน เราไม่มี D layer และความถี่วิกฤตของชั้นบรรยากาศ (E, F) จะต่ำลงอีก ดังนั้นเราจะไม่สามารถใช้ประโยชน์จาก "คลื่นฟ้า" (Skywave) ที่สะท้อนจากชั้น F ที่ความถี่สูงนักในเวลากลางคืนได้ ความถี่วิกฤตจะต่ำสุดในช่วงพลบค่ำ
E - อยู่สูงจากพื้นโลก 90-150 กม. ชั้นบรรยากาศนี้สามารถหักเหคลื่นที่มีความถี่ต่ำกว่า 10 Mhz ได้โดยต้องพุ่งเข้ากระทบที่มุมเฉียงสักหน่อย (ถ้าชันจะทะลุ) ความถี่สูงกว่า 10 MHz จะถูกดูดซึมที่ชั้น E แต่จะไม่รุนแรงเท่าชั้น D และส่วนที่ไม่ถูกดูดซึมจะผ่านไปยังชั้น F ในช่วงเย็นชั้น E นี้จะบางลง (อยู่สูงขึ้น เช่น ระดับ 130-150 กม.) ทำให้การติดต่อผ่านการหักเหที่ชั้น E ไปได้ไกลขึ้น นานๆ ครั้งอาจจะเกิดเหตุการณ์ที่เรียกว่าการอิออนไนเซชั่น (แตกตัวของอนุภาค) ชั่วคราว (sporadic ionization) และทำให้เกิดการสะท้อนคลื่นย่าน 50-225MHz ทำให้คลื่นเดินทางได้เป็นระยะทางหลายพันกิโลเมตรได้ (แต่ก็นานๆ ครั้ง เช่นในปี 1939 และ 1957 เป็นต้น)
F - เป็นชั้นบรรยากาศที่อยู่สูงขึ้นไปอีกคือระหว่าง 150 กม. ถึงมากกว่า 500 กม. การสะท้อนคลื่นกลับลงมาเกิดที่ชั้น F นี้ ที่ความสูงนี้อากาศมีความบางมาก เมื่อแสงแดดทำให้ชั้นบรรยากาศแตกตัวในเวลากลางวัน ด้วยความเบาบางของอนุภาค ทำให้เกิดการรวมตัว (recombine) ของประจุต่างๆ ได้ไม่เพียงพอที่จะทำให้ชั้น F นี้หายไปในช่วงเวลากลางคืน (เรียกว่า ใช้เวลาไปทั้งคืนก็ยังรวมตัวกันไม่ทัน) ในช่วงกลางคืนชั้นบรรยากาศ F1 และ F2 จะรวมตัวกันเป็นชั้น F ที่อยู่สูงขึ้นไปกว่า 270 กม. บนท้องฟ้าและมักจะหักเหคลื่นความถี่ระหว่าง 1-15MHz กลับมายังโลก
F1 - เป็นชั้นย่อยของชั้นบรรยากาศ F อยู่เหนือชั้น E ขึ้นไปเล็กน้อย มีคุณสมบัติเกือบเหมือนชั้น E
F2 - เป็นชั้นย่อยของชั้นบรรยากาศ F อยู่เหนือชั้น F1 ขึ้นไป และเป็นชั้นสำคัญ เนื่องจากสามารถเกิดเหตุการณ์ที่เรียกว่า F2 skip โดยความหนาแน่นด้วยอิออนและความถี่ที่กระทบมัน (มุมด้วย) จะเป็นตัวบอกว่าคลื่นจะหักเห/เลี้ยวเบนลงมาได้มากหรือน้อยเพียงใดและเป็นสิ่งสำคัญที่จะทำให้การติดต่อสื่อสารไปได้ไกลเพียงใด ถ้าชั้น F2 ไม่หนาแน่นไปด้วยอิออน คลื่นความถี่สูงจะไม่สามารถเลี้ยวเบนลงมายังพื้นโลกได้แต่จะทะลุออกไป ในขณะที่ถ้าชั้น F2 หนาแน่นก็จะทำให้ความถี่สูงขึ้นสามารถเลี้ยวเบนลงมาได้
ภาพบนแสดงความถี่สูงสุดที่คลื่นจะสะท้อนที่ชั้น F2 ได้ จะเห็นว่าในเวลากลางวันความถี่ที่จะสะท้อนกลับลงมาได้จะสูงขึ้น ต่างกับตอนกลางคืนที่ไม่สามารถใช้ความถี่ที่สูงมากได้ เพราะจะทะลุบรรยากาศออกไป
กฏการเดินทางของคลื่นง่ายๆ
ในเมื่อชั้นบรรยากาศมีหลายชั้น แต่ละชั้นก็มีคุณสมบัติต่างกัน กลางวันกลางคืนก็มีชั้นไม่เท่ากันอีก แบบนี้คงงงมากเมื่อดูว่าจะใช้ความถี่ไหนอย่างไร แต่ไม่ต้องเป็นห่วง เรามีกฏให้จำใช้ง่ายๆ ดังนี้
- ย่านความถี่ 20m (14 MHz) เป็นย่านกลางๆ จะใช้งานได้ดีในช่วงกลางวันและกลางคืน (กลางวันดูจะดีกว่าบ้าง)
- ความถี่ต่ำกว่า 14 MHz จะใช้ไงานได้ดีในเวลากลางคืน
- ความถี่สูงกว่า 14 MHz จะใช้งานได้ดีที่สุดในเวลากลางวัน
- ยิ่งความถี่ไกลจาก 20m (14 MHz) เท่าไร ผลตามข้อ 1-3 ยิ่งรุนแรงขึ้น
- และแน่นอน สภาพบรรยากาศเปลี่ยนแปลงทุกวัน ผลจากข้อ 1-4 ย่อมเปลี่ยนไปได้ในแต่ละวัน
เกร็ดความรู้
เราอาจจะสรุปแบบคร่าวมากๆ ได้ว่าความถี่ต่ำกว่าประมาณ 10MHz จะเดินทางได้ดีด้วยการสะท้อนคลื่นจากท้องฟ้าในช่วงเวลากลางคืน และความถี่สูงเกินกว่า 10Mhz จะเดินทางได้ดีกว่าในช่วงเวลากลางวัน ดังนั้นถ้าการติดต่อสื่อสารในช่วงเย็นเริ่มแย่ลง สิ่งที่อาจจะทำได้คือปรับความถี่ให้ต่ำลง (ข้อสอบ E2C2 Extra Class) และเราสามารถสรุประยะทางการติดต่อสื่อสารกับช่วงเวลาของวัน ฤดูกาล และความถี่ ได้ดังตารางด้านล่างนี้
ระยะทางในการติดต่อสื่อสารกับความถี่ที่ใช้งานในแต่ละฤดู
การนำคลื่นโทรโปสเฟอริค
โดยปกติแล้วสัญญาณคลื่นในย่าน VHF จะไม่สามารถเลี้ยวเบนที่ย่านชั้นบรรยากาศใดๆ กลับมาสู่พื่นโลกได้ (เพราะ MUF หรือ Maximum Usable Frequency ต่ำกว่านั้นมาก) แต่ในบางสภาวะอากาศซึ่งขึ้นอยู่กับ อุณหภูมิ ความดันบรรยากาศ และความชื้น จะทำให้ชั้นบรรยากาศโทรโปสเฟียร์หักเหคลื่นเหล่านี้กลับมายังโลกได้ เมื่อเกิดการกลับชั้นอุณหภูมิ (คือ ปกติแล้วชั้นบรรยากาศที่สูงกว่าจะมีอุณหภูมิต่ำกว่า และชั้นบรรยากาศที่ต่ำกว่าจะมีอุณหภูมิสูงกว่า) โดยชั้นบรรยากาศด้านบนมีอุณหภูมิสูงกว่าด้านล่าง ชั้นบรรยากาศที่อุ่นนี้จะเกิดเป็นชั้นโทรโปรสเฟียร์ (มีความสูงไม่เกิน 3 กม. เท่านั้น) และทำให้เกิดการนำคลื่น และทำให้การสื่อสารได้ระยะทางไกลขึ้นมาก (1,000 กม. หรือไกลกว่า) ในย่านความถี่สูงถึง VHF หรือ UHF เลยทีเดียว อย่างไรก็ตาม กลไกที่ทำให้ระยะทางติดต่อไกลขึ้นในย่านความถี่ VHF/UHF นี้ไม่ได้เกิดจากการสะท้อนที่ชั้นบรรยากาศเหมือนกับความถี่ย่าน HF (แต่เป็นเพราะเกิด "ท่อนำคลื่น" ขึ้นชั่วคราวนั่นเอง)
การนำคลื่นแบบโทรโปสเฟอริค ที่ทำให้การสื่อสารด้วยคลื่นย่าน VHF/UHF ทำได้ไกลกว่าปกติ
จะเห็นว่าเรื่องของชั้นบรรยากาศนั้นดูซับซ้อนและน่าสับสนอยู่พอสมควร แต่ก็เป็นสิ่งที่เกิดขึ้นและทำให้เราใช้งานวิทยุในย่านต่างๆ ได้สนุกขึ้น
สำหรับวันนี้ต้องพอแต่เพียงเท่านี้ก่อน แล้วพบกันใหม่ในบทความหน้านะครับ สำหรับคราวนี้ก็ต้องขอกล่าวคำว่า
QRU 73 de HS0DJU / KG5BEJ (จิตรยุทธ จุณณะภาต)
