ผลของชั้นบรรยากาศต่อการสื่อสารย่าน HF



โดย จิตรยุทธ จุณณะภาต (HS0DJU) 

ความถี่ย่าน HF (High Frequency หรือความถี่ระหว่าง 3-30 MHz) ต่างจากความถี่วิทยุย่านอื่น เนื่องจากสามารถสะท้อนชั้นบรรยากาศได้ จึงทำให้ระยะทางติดต่อสื่อสารไกลกว่าระยะสายตา (Line of sight) ตามปกติ อย่างไรก็ตามชั้นบรรยากาศที่มีผลต่อการแพร่กระจายคลื่น (wave propagation) ย่านความถี่ HF มีหลายชั้น แต่ละชั้นก็มีคุณสมบัติต่างกัน ทำให้ผลที่เกิดขึ้นโดยรวมมีความซับซ้อนอยู่บ้าง ผมได้พยายามรวบรวมข้อมูลที่หาได้ นำมาเผยแพร่ไว้ในเรื่อง ผลของชั้นบรรยากาศต่อการสื่อสารย่าน HF นี้ครับ

ภาพที่ 1 D-layer สูงจากพื้นดิน 80-90 กิโลเมตร
เกิดจาก Lyman radiation จากรังสีดวงอาทิตย์

จึงเกิดเฉพาะกลางวัน   ชั้น D-layer ยิ่งมีอิเล็กตรอน

อิสระและโมเลกุลของแก๊สมากยิ่งดูดกลืนความถี่ต่ำ
ได้มาก คลื่นวิทยุจะสั่นอิเล็กตรอนไปชนโมเลกุลของแก๊ส
ทำให้ดูดกลืน (absorb) ความถี่ต่ำ MF, LF (สีส้ม) 

ก่อนที่จะสะท้อน หรือ re-propagate กลับลงมา ส่วน

ความถี่สูง HF (เกิน 3MHz ขึ้นไป สีฟ้า) จะทะลุ D-layer

ไปได้โดยไม่ถูกชั้น D-layer ดูดกลืนมากนัก ถ้าจะว่าไป

ชั้น D-layer นี้ไม่ได้ช่วยในการสื่อสารคลื่นย่าน HF หรอก

ภาพที่ 2 E-layer อยู่สูงเหนือชั้น D ขึ้นไป เกิดจาก

การ ionize (โมเลกุล แตกตัวออกเป็นอิเล็กตรอนและ

นิวเคลียส) จากการได้รับ Soft X-ray และ UV จากดวง

อาทิตย์  อิเล็กตรอนหนาแน่นในบางจุด แต่โมเลกุลของ

แก๊สน้อยลงมาก  คลื่นจะสั่นอิเล็กตรอนบางส่วนไปชน

โมเลกุลทำให้เกิดการดูดกลืนพลังงานบ้าง ขณะเดียวกัน

อิเล็กตรอนที่สั่นก็สร้างคลื่น Re-radiate กลับลงมา ที่ความถี่

ต้นๆ HF (สีฟ้า) จะเหมือนคลื่นสะท้อนลงมา แต่เมื่อความถี่

สูงขึ้นอีกจะทะลุ E-layer ไปมากกว่า 

ภาพที่ 3 ในช่วงกลางคืนที่ D-layer หายไป แต่ชั้น
E-layer ยังคงอยู่ ความถี่ขนาด 0.5-1.6 MHz (MF)
จะไปถึงชั้น E-layer ได้ง่าย (เพราะไม่มี D-layer
คอยดูดกลืนที่ความถี่ช่วงนี้) และสะท้อนคลื่นกลับ
ลงมา จะสังเกตว่าในเวลากลางคืน เราอาจจะรับฟัง
วิทยุบันเทิงคลื่นช่วง 560-1700 KHz ได้จากระยะไกล

จะว่าไป ในย่านความถี่ HF (3-30 MHz) ชั้น E ก็ดีกว่า

D อยู่เล็กน้อยที่สะท้อนคลื่น HF บ้าง แต่ก็ไม่มากนัก

ภาพที่ 4 F-layer เป็นชั้นที่อยู่สูงขึ้นไปอีก ในช่วง

กลางวันจะแบ่งเป็นชั้น F1 และ F2 โดยชั้น F2 นี้พิเศษ

ที่มีความหนาแน่นอิเล็กตรอนมาก มีโมเลกุลแก๊สน้อย

ทำให้ดูดกลืนน้อย คลื่นจึงสะท้อนกลับมาได้มาก ขณะที่

เวลากลางคืนชั้น F1 และ F2 จะรวมกันและขยับต่ำลงมา

เรียกรวมว่าชั้น F โดยความหนาแน่นของอิเล็กตรอนน้อย

ลงมาก (กว่า 10 เท่า)  ในเวลากลางคืนคลื่นความถี่สูง

(เช่น 21 MHz หรือสูงกว่า) จึงมักทะลุชั้น F ไปเลย

ภาพที่ 5 F-layer อยู่สูงจากพื้นดินมาก จึงไม่ขึ้นกับ

สภาพภูมิอากาศบนพื้นดิน เช่น แดดออก ฝนตก มีเมฆ

ความชืน พายุต่างๆ เป็นต้น แต่จะได้รับผลกระทบจาก

จุดดับบนดวงอาทิตย์ (Sun spot) ชั้น F จะสะท้อนคลื่น

ที่ความถี่ต่ำกว่าความถี่วิกฤติ (Critical Frequency, CF)

ที่ความถี่สูงมากๆ จะทะลุผ่านไป

ภาพที่ 6 ที่จริงการที่ดูเหมือนการ "สะท้อนคลื่น" นั้นเกิด

จากการสั่นของอิเล็กตรอน ในชั้น F-layer จะมีอิเล็กตรอน

อิสระอยู่มาก (โดยเฉพาะกลางวัน) เมื่อคลื่นวิทยุกระทบ

จะทำให้อิเล็กตรอนสั่น และสร้างคลื่นวิทยุในทิศทางตรง

กันข้ามออกมา (รูปบน) แต่ถ้าความถี่สูงเกินไป (รูปล่าง)
อิเล็กตรอนจะสั่นไม่ทัน คลื่นจะเหมือนวิ่งทะลุชั้น F ไป
(ส่วนมากคือ F2) จำนวนอิเล็กตรอนในแต่ละเวลาของวัน
(รวมทั้งรอบ solar cycle ด้วย) จะต่างกัน ทำให้
Critical Frequency (CF) เปลี่ยนไป และ
Maximum UsableFrequency (MUF) เปลี่ยนไปด้วย 

ภาพที่ 7 คุณสมบัติของชั้นบรรยากาศต่างๆ ในเวลากลางวัน

ความถี่ต่ำกว่า 1.8 MHz มักถูก D-layer ดูดกลืนไปก่อนจะ

สะท้อนลงมา ความถี่ย่านกลางถึงปลาย HF (14-28 MHz) 

จะใช้งานได้ดี

ภาพที่ 8 ในช่วงเวลากลางคืน ชั้น D-layer หายไป ทำให้

ความถี่ต่ำ LF, MF ไม่ถูกดูดกลืนและไปสะท้อนที่ชั้น E-layer

ส่วนความถี่ย่าน 1.8-7 MHz ก็สะท้อนที่ E-layer ได้ดี ความถี่

ที่สูงกว่า 7 MHz จะทะลุไปที่ชั้น F-layer ถ้าความถี่ไม่สูงมาก

เกินไป (7-10 MHz) ก็อาจจะสะท้อนกลับลงมาได้ แต่ถ้าสูง

ขึ้นไปมากก็อาจจะทะลุออกไป  ความถี่ย่านต้น VHF ก็มัก

ทะลุทุกชั้นออกไปเลยในช่วงกลางคืนที่อิเล็กตรอนที่แต่ละชั้น

มีความหนาแน่นน้อยมาก

ภาพที่ 9 ความถี่วิกฤต (Critical Frequency, CF) 

คือความถี่ที่สามารถสะท้อนกลับจากมุม

เหนือศีรษะ (90ᴼ) ได้ตรงๆ ความถี่นี้มักไม่สูงนัก

(โดยทั่วไปมุม θ ยิ่งเอียงมาก จะมีโอกาส

สะท้อนได้ดีกว่า)  เมื่อเรารู้ CF เราก็คำนวณ

Maximum Usable Frequency (MUF) ได้จาก

สมการในภาพ (ขึ้นกับมุมที่ทำกับผิวโลก) และ

โดยทั่วไป MUF = 3CF แต่ถ้าจะให้แน่ใจว่า

ติดต่อได้ค่อนข้างแน่ก็คือที่ความถี่ที่เรียกว่า

 Optimum Workable Frequency (OWF) = 0.85MUF

ภาพที่ 10 สมมติว่าความถี่ MUF เป็น 14MHz (20m) ความถี่

สูงขึ้นๆ จะเดินทางลึกเข้าไปใน F-layer ขึ้นและสะท้อนกลับมา

และความถีที่สูงกว่า MUF จะมีโอกาสทะลุหลุดออกไปเลย

เมื่อเราพูดถึง MUF เราจะหมายถึง F-layer MUF นั่นเอง

ภาพที่ 11 ในช่วงเวลาของวัน MUF ก็เปลี่ยนไป ซึ่งนอกจาก

MUF ยังมี LUF (Lowest Usable Frequency) ด้วย ซึ่งเป็น

ความถี่ต่ำสุดที่จะใช้งานได้ จะเห็นว่าในเวลากลางวันที่มี

D-layer แข็งแรง LUF จะสูงขึ้น คือใช้งานความถี่ต่ำมาก

ไม่ได้เพราะถูกชั้น D ดูดกลืนคลื่นไปหมด ในทาง

ตรงกันข้าม เวลากลางวันที่ชั้นบรรยากศได้รับอิทธิพล

จากรังสีต่างๆ ของดวงอาทิตย์ทำให้ MUF สูงขึ้น

ในภาพจะเห็น Solar Flare ซึ่งหากเกิดเหตุการณ์นี้

จะทำให้ LUF สูงขึ้นและอาจจะสูงกว่า MUF ซึ่งนั่นคือไม่สามารถใช้งานย่านความถี่ HF โดยอาศัยชั้นบรรยากาศได้

ภาพที่ 12 Sun Spot และ Solar Flare มีผล

ต่อการสื่อสารย่าน HF เป็นอย่างมาก แต่เมื่อ

Solar Flare จบลง สัญญาณรบกวนจะน้อยลง

และ MUF สูงอยู่จะทำให้ย่าน 20-40m ในคืนนั้น

ดีมาก และวันต่อมาย่าน HF ที่สูงขึ้นก็จะดีด้วย

ภาพที่ 13 ผลโดยสรุปของการแพร่กระจายคลื่น
ในย่านความถี่สูง (HF) ในเวลาต่างๆ ของวัน
ซึ่งเป็นข้อมูล "โดยทั่วไป" เพราะในแต่ละวัน และ

แต่ละช่วงเวลา กิจกรรมบนดวงอาทิตย์ (ที่เรียก

ว่า Solar Activity) และกลางวันกลางคืน ซีกโลก

ที่โดนแสงอาทิตย์บ้างไม่โดนบ้างก็เปลี่ยนไป

ชั้นบรรยากาศของโลกก็เปลี่ยนสภาพไป

ทำให้สภาพการแพร่กระจายคลื่นเปลี่ยนไปด้วย

ภาพที่ 14 ต้นเหตุของคุณสมบัติในการ

แพร่กระจายคลื่นย่านความถี่ HF  นั้น ส่วนใหญ่

ถูกกระตุ้นจากดวงอาทิตย์ ที่กำเนิดรังสี UV, 

X-ray และบรรดาอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า

ความเร็วสูงออกมา เกิดจุดดับที่มีสนามแม่เหล็ก

รุนแรง เป็นต้น ที่กระตุ้นสิ่งที่โลกของเรามี เช่น

สนามแม่เหล็กโลก โมเลกุลของแก๊สต่างๆ ในชั้นบรรยากาศ 

ภาพที่ 15 บางครั้งจะเกิด E-layer บางๆ ซ่อนอยู่

เป็นผลมาจากการปล่อยอนุภาคจากดวงอาทิตย์ และฝ

หรือ Solar Flare เรียกว่า Sporadic E-layer (Es) ที่ตาม

ชื่อของมันหมายความว่าเกิดบ้างไม่เกิดบ้าง เป็นพื้นที่

เล็กๆ และเอาแน่นอนอะไรไม่ได้ และเกิดแล้วก็อาจจะ

อยู่ไม่กี่นาทีหรือนานเป็นหลายชั่วโมงก็ได้ เป็นชั้นที่มี

อิเล็กตรอนหนาแน่นมาก และคลื่นที่เคยวิ่งไปถึงชั้น F

ได้ก็จะไปไม่ถึงแล้ว จะถูกชั้น Es นี้สะท้อนลงมา โดย

อาจจะสะท้อนคลื่นได้ถึงย่าน VHF และติดต่อได้กว่า

800-2,000 กม. เลยทีเดียว

ภาพที่ 16 จุดดับบนดวงอาทิตย์หรือที่เราเรียกว่า

Sun spot ที่จริงไม่ได้ดับ แต่เป็นจุดที่มีเส้นแรง

แม่เหล็กความหนาแน่นสูงมาก สูงจนแก๊สร้อนขึ้น

มาบนผิวของดวงอาทิตย์ได้น้อยกว่าบริเวณใกล้เคียง

จึงทำให้อุณหภูมิบริเวณนั้นต่ำกว่าและเห็นเป็นสี

คล้ำกว่า เส้นแรงแม่เหล็กกำลังมหาศาลนี้เองน่าจะ

เป็นสาเหตุของ Soar Flare, Coronal Mass Ejection

(CME)  และเพราะต้นเหตุคือเส้นแรงแม่เหล็กซึ่ง

ต้องครบรอบของมัน เราจึงเห็น Sun spot เป็นคู่ๆ เสมอ

ภาพที่ 17 ข้อมูลที่ดีจาก www.hamqsl.com/solar.html

SFI: มีค่า 30-300 บอกว่าอนุภาคจากดวงอาทิตย์

เดินทางมาถึงชั้นบรรยากาศของโลกมากน้อยแค่ไหน

มีผลกับย่านความถี่ 10-20m (ต่ำกว่า 70 แย่, 80-90

ไม่ดี, 90-100 ปานกลาง, 100-150 ดี, มากกว่า 150

ดีมาก) ค่านี้ไม่ค่อยมีผลกับย่าน 30-160m นัก

SN: คือหมายเลขจุดดับบนดวงอาทิตย์ (0-250) ยิ่ง

ค่ามากจะแสดงว่าชั้นบรรยากาศมีการแตกตัวของ

โมเลกุลของแก๊สไปเป็นอิเล็กตรอนมากซึ่งดีต่อการ

สื่อสารย่าน HF (ต่ำกว่า 50 แย่, 50-75 ไม่ดี, 75-100

ดี, 100-150 ดีมาก, สูงกว่า 150 เยี่ยม) 

ทั้งค่า SFI และ SN ที่ดี จะต้องสูงและอยู่นานด้วย

K: มีค่า 0-8 เป็นดัชนีบอกการรบกวนจากสนามแม่เหล็ก

โลกในแนวนอน ยิ่งตัวเลขน้อย 1-5 ยิ่งดี ถ้าตัวเลขสูง

จะมีสัญญาณรบกวนสูงขึ้นโดยเฉพาะความถี่ต่ำกว่า 30m

ค่า K ระดับ 8-9 แสดงถึง Solar storm และไม่ดีกับการ

สื่อสารย่าน 30-160m เลย เรียกได้ว่า K มีผลกับด้าน

ความถี่ต่ำของย่านความถี่ HF 

A: เป็นดัชนีแสดงค่าเฉลี่ยของค่าดัชนี K ในรอบ 24 ชั่วโมง

อีกทีหนึ่ง ค่าอยู่ระหว่าง 0-400 แต่มักเห็นว่าไม่เกิน 100

เรามักจะให้ความสำคัญกับค่า A นี้มากกว่าค่า K ด้วย

ค่า 1-5 ดีมากสำหรับย่าน 10, 12, 15, 17, 20m 

ค่า 6-9 พอใช้ได้ในย่าน 10, 12, 15, 17, 20m 

ค่าสูงกว่า 10 ไม่ดีในย่าน ย่าน 10, 12, 15, 17, 20m

Ap: เป็นการเฉลี่ยค่า A จากหลายจุดสังเกตจากทั่วโลก 

ค่า 1-5 ดีมากสำหรับย่าน 30, 40, 80, 160m 

ค่า 6-9 พอใช้ได้สำหรับย่าน 30, 40, 80, 160m

ค่าสูงกว่า 10 ไม่ดีสำหรับย่าน 30, 40, 80, 160m

Kp: เป็นการเฉลี่ยค่า K จากหลายจุดสังเกตจากทั่วโลก 

ค่า 0-1 ดีมากสำหรับย่าน 30, 40, 80, 160m 

ค่า 2-4 ดีสำหรับย่าน 30, 40, 80, 160m

ค่า 5-9 ไม่ดีสำหรับย่าน 30, 40, 80, 160m

X-Ray: เป็นรายงานจาก NOAA (National Oceanic and 

Atmospheric Administration) มีค่าตั้งแต่ A0.0 ถึง X9.9

ตัวหนังสือนำหน้า A, B, C, M, X เป็นระดับจากเบาไปหา

รุนแรงที่สุด ตัวเลขจะแสดงขนาดในระดับนั้น ยิ่งรุนแรงมาก

จะมีโอกาสที่ชั้น D-layer จะแข็งแรงและดูดกลื่นคลื่นย่าน

HF ได้มาก (ปกติ มันดูดกลืนคลื่น LF, MF เป็นหลัก) 

อ้างอิง: https://www.qsl.net/co8tw/

Understanding%20HF%20propagation.pdf

หวังว่าเรื่องนี้จะพอทำให้เพื่อนๆ เข้าใจผลของชั้นบรรยากาศต่อการสื่อสารในย่านความถี่ HF (3-30 MHz) ได้ดีขึ้นนะครับ 

73 DE HS0DJU (Jitrayut C.)