الامتصاص الأيوني لإشارات الراديو ومؤشر التدفق الشمسي

عندما تنتقل الموجات الكهرومغناطيسية وتنتقل معها إشارات الراديو، فإنّها تتفاعل مع الأشياء والوسائط التي تنتقل فيها حيث تتسبب التفاعلات في تغيير اتجاه الإشارات اللاسلكية والوصول إلى المناطق التي لا يمكن أن تكون ممكنة إذا انتقلت الإشارات اللاسلكية في خط مباشر وذلك عندما تنعكس إشارات الراديو أو تنكسر أو تنحرف.

ما هو الامتصاص الأيوني لإشارات الراديو؟

يُعد سلوك الأيونوسفير أحد المجالات الرئيسية التي يجب مراعاتها عند التخطيط لشبكة أو نظام اتصالات راديوية أو عند التنبؤ بظروف انتشار (HF)، حيث عادة ما يُنظر إلى الأيونوسفير كمنطقة تنكسر فيها موجات الراديو على نطاقات الموجات القصيرة أو تنعكس مرة أخرى على الأرض، ومع ذلك فقد وجد أيضاً أنّ الإشارات تنخفض قوتها أو تضعف أثناء مرورها عبر هذه المنطقة، كما يمكن أن يكون امتصاص الغلاف الأيوني أحد العوامل الرئيسية المساهمة في تقليل قوة الإشارات.

يحدث معظم التوهين في الطبقة (D)، كما يوجد بعض في الطبقتين (E وF) لكن المستوى أقل بكثير من المستوى الموجود في الطبقة (D) ويمكن تجاهله، أمّا عندما تدخل الإشارات إلى الطبقة (D) فإنّها تنقل الطاقة إلى الإلكترونات وتضعها في حالة حركة وتهتز بما يتماشى مع إشارة الراديو، لكن عندما تهتز الإلكترونات بهذه الطريقة يمكن أن تصطدم بجزيء أو أيونات أو إلكترونات أخرى، وفي كل مرة يحدث تصادم يتم تبديد كمية صغيرة من الطاقة ويتجلى ذلك في صورة خسارة في قوة الإشارة.

العوامل التي يعتمد عليها مقدار الطاقة المفقودة:

يعتمد مقدار الطاقة المفقودة بشكل أساسي على عدد الاصطدامات التي تحدث، وهذا بدوره يعتمد على عدد من العوامل الأخرى، وهي:

• يُعد عدد الجزيئات والإلكترونات والأيونات الأخرى الموجودة في الطبقة (D) أحد العوامل المؤثرة في عملية الامتصاص حيث تكون كثافة الهواء عالية نسبياً وبالتالي يوجد عدد كبير من الجزيئات الأخرى حولها وعدد الاصطدامات مرتفع.

• تردد الإشارة حيث مع انخفاض التردد يزداد إزاحة الاهتزازات وكما يُعد عدد الاصطدامات أحد العوامل المؤثرة حيث وجد أنّ مقدار الامتصاص الأيونوسفير الذي يحدث يختلف عكسياً حسب مربع التردد أي إذا تضاعف التردد سينخفض ​​التوهين بمقدار أربعة أضعاف، وهذا هو أحد الأسباب الرئيسية التي تجعل عدد النطاقات أو الترددات يدعم انتشار الموجات الديكامترية بين محطتين راديويتين فإنّ الأعلى سيحقق نتائج أفضل.

كما يُعد مستوى التوهين مرتفع جداً بالنسبة للإشارات على نطاق البث الإذاعي بالموجة المتوسطة بحيث لا توجد إشارات من خلالها أثناء النهار عندما تكون الطبقة (D) كما يتم نشر الإشارات فقط عبر الموجة الأرضية، أمّا في الليل عندما تختفي الطبقة (D) فإنّه تسمع الإشارات من مناطق أبعد بكثير.

مؤشر التدفق الشمسي:

نظراً لأنّ الإشعاع الصادر عن الشمس هو التأثير الرئيسي على الأيونوسفير، فإنّ المؤشرات الشمسية بما في ذلك التدفق الشمسي ومؤشر (A) ومؤشر (Ap) ومؤشر (K) ومؤشر (Kp) كلها مهمة في التنبؤ بحالة انتشار الأيونوسفير والأيونوسفير (HF).

كيفية التنبؤ بالانتشار الراديوي:

يتوفر الكثير من المؤشرات التي تُمكن من التنبؤ بظروف الانتشار الراديوي (HF) حيث تُعد مؤشرات مستوى الإشعاع الشمسي والنشاط المغناطيسي الأرضي هي التي تعطي أفضل الدلائل على الحالة المحتملة لظروف انتشار الاتصالات الراديوية عبر طبقة الأيونوسفير حيث تُعد مؤشرات الطاقة الشمسية الرئيسية هي التدفق الشمسي والمؤشرات المغناطيسية الأرضية المعروفة باسم مؤشرات (A وK).

باستخدام المؤشرات (A وK) من الممكن استنتاج الظروف التي قد تكون عليها يدوياً حيث هناك العديد من مجموعات برمجيات التنبؤ بالانتشار الراديوي المتوفرة، كما تأخذ هذه المؤشرات المختلفة في الاعتبار جنباً إلى جنب مع الموقع على الكرة الأرضية والوقت من اليوم والموسم والموقع في دورة البقع الشمسية.

ما هو التدفق الشمسي – Solar flux؟

التدفق الشمسي (Solar flux): يُعد بأنّه أحد المؤشرات الرئيسية للنشاط الشمسي المستخدم في التنبؤ بالانتشار الراديوي وله تأثير كبير على ظروف انتشار الاتصالات الراديوية حيث يوفر مؤشراً على مستوى الإشعاع الذي يتم تلقيه من الشمس.

يُعد قياس مؤشر الطاقة الشمسية من خلال الكشف عن مستوى ضوضاء الراديو المنبعثة عند تردد (2800 ميجاهرتز أي 10.7 سم) أحد أهم الأمور، حيث تم اقتباس المؤشر من حيث وحدات التدفق الشمسي (SFU)، كما تحتوي وحدة (SFU) على الوحدات من (10 إلى 22 واط لكل متر 2 لكل هرتز).

يُعد مستوى الإشعاع المؤين الذي يتم تلقيه من الشمس تقريباً بانّه يتناسب مع التدفق الشمسي، كما توجد علاقة إحصائية بدلاً من علاقة مباشرة لأنّ مستوى الضوضاء الراديوية المستقبلة عند (2800 ميجاهرتز) أقل بمليون مرة تقريباً من مستوى الإشعاع الذي ينتج التأين في الأيونوسفير، حيث يوفر التدفق الشمسي تقديراً تقريبياً جيداً من الدرجة الأولى بالنسبة للمنطقة (F) المسؤولة عن معظم انتشار الاتصالات الراديوية في الغلاف الجوي المتأين لمسافات طويلة حيث أنّ أفضل ارتباط هو مع مستويات (Smoothed Sunspot Number (SSN).

تُعد قيم التدفق الشمسي بأنّها أحد الأمور التي توفر مؤشراً على مستوى التأين في طبقة الأيونوسفير، وهذا بدوره يعطي إشارة إلى الحد الأقصى للتردد القابل للاستخدام (MUF) للاتصالات اللاسلكية، كما تُشير القيم المنخفضة لـ (Solar Flux) إلى أنّ أرقام (MUF) قد تكون منخفضة، أمّا القيم العالية لـ (Solar Flux) تشير إلى أنّ (MUF) قد يكون أعلى حيث يجب أن يكون هناك عدة أيام متتالية من الإشعاع الشمسي المرتفع المستمر مع عدم وجود اضطرابات شمسية لارتفاع الترددات (MUF) للاتصالات اللاسلكية في النطاق (HF).

المؤشرات الجيومغناطيسية:

يُعد مستوى النشاط المغناطيسي الأرضي بأنّه أحد أهم التأثيرات على طبقة الأيونوسفير وبالتالي التنبؤ بالانتشار الراديوي حيث أنّ النشاط المغناطيسي الأرضي هو مقياس لحالة المجال المغناطيسي للأرض، وهذا بدوره يتأثر بالشمس، أمّا للإشارة إلى حالة النشاط الجيومغناطيسي فهناك نوعان من المؤشرات المستخدمة مرتبطة ببعضها البعض، وعلى الرغم من اختلاف هذين المؤشرين فإنّ كلا المؤشرين يقدمان مؤشرات على شدة التقلبات المغناطيسية، وبالتالي مستوى الاضطراب في الأيونوسفير.

1. مؤشر K:

المؤشر (K): يُعد بأنّه قياس كل ثلاث ساعات لتغير المجال المغناطيسي للأرض مقارنة بظروف اليوم الهادئ حيث يتم القياس باستخدام مقياس المغناطيسية، كما يشير إلى تباين التدفق المغناطيسي في (nanoteslas) ثم يتم تحويل هذه القراءة إلى مؤشر (K) حيث تكون العلاقة شبه لوغاريتمية أي متناسبة تقريباً بشكل مباشر على مقياس لوغاريتمي.

يتم قياس مؤشر (K) في العديد من الأماكن المختلفة حول العالم حيث يختلف المجال المغناطيسي حول العالم وبالتالي يتم إنشاء قيمة مختلفة لمؤشر (K) في كل محطة قياس، أمّا لحقيقة أنّ المجال المغناطيسي يختلف بطرق مختلفة حول العالم اعتماداً على الطريقة التي يتأثر بها الغلاف المغناطيسي حيث لا يمكن وجود علاقة بسيطة بين محطة واحدة ومؤشر (K) عالمي، كما يتم حساب متوسط ​​مؤشرات (K) الفردية حول العالم لإعطاء ما يسمى مؤشر (Kp) أو مؤشر (K) الكوكبي.

2. مؤشر Kp:

يُعد مؤشر الكواكب أو مؤشر (Kp) متميز باحتواءه على قيم تتراوح بين (0 و9) حيث تعطي قيم مؤشر (kp) مؤشراً جيداً للنشاط المغناطيسي الأرضي فتشير القيم بين (0 و1) إلى الظروف المغناطيسية الهادئة ولن تؤدي فعلياً إلى أي تدهور في الاتصالات اللاسلكية للنطاق العالي التردد الظروف، كما توفر قيم مؤشر (kp) بين (2 و4) مؤشراً على الظروف المغناطيسية غير المستقرة التي تشير إلى احتمال حدوث بعض التدهور في نطاقات (HF) للاتصالات اللاسلكية.

تشير القيمة (5) إلى عاصفة بسيطة، أمّا القيمة (6) تشير إلى عاصفة أكبر حيث تشير القيم حتى (9) إلى تدهور مطرد في الظروف، كما تمثل (9) عاصفة كبرى من المحتمل أن تؤدي إلى تعتيم في انتشار الأيونوسفير (HF) لعدة ساعات.

3. مؤشر A:

مؤشر (A): هو مقياس خطي لحقل الأرض تُعد قيمها ممتدة على نطاق أوسع بكثير، كما يتم اشتقاقه من مؤشر (K) عن طريق قياسه لإعطاء قيمة خطية ثم يتم حساب متوسط ​​هذا على مدار فترة اليوم لإعطاء المؤشر (A)، كما يُعد حساب متوسط ​​القيم حول العالم مهم لأنه يقوم على إعطاء مؤشر (Ap) الكوكبي حيث تتراوح قيم المؤشر (A) حتى (100) أثناء عاصفة وقد ترتفع حتى (400) في عاصفة مغناطيسية أرضية شديدة.

تفسير أرقام المؤشرات الجيومغناطيسية:

أسهل طريقة لاستخدام هذه الأرقام للتنبؤ بالانتشار الراديوي هي إدخالها في برمجيات التنبؤ بالانتشار الراديوي حيث سيوفر هذا التنبؤ الأكثر دقة لما قد يحدث، كما ستأخذ هذه البرامج في الاعتبار عوامل مثل مسارات الإشارات لأنّ بعضها سيعبر القطبين وسيكونون أكثر تأثراً بالعواصف التي ستعبر خط الاستواء، حيث لا يزال من الممكن الحصول على نظرة ثاقبة حول ما تعنيه الأرقام من حيث الانتشار الراديوي لجميع أشكال الاتصالات الراديوية باستخدام الانتشار الأيوني فقط من خلال تقييمها عقلياً.

إنّ هناك حاجة إلى مستويات عالية من التدفق الشمسي لنشر الاتصالات الراديوية بشكل جيد وكلما زاد التدفق كلما كانت الظروف أفضل، كما يجب الحفاظ على المستويات لعدة أيام وبهذه الطريقة سوف يتراكم المستوى العام للتأين في طبقة (F2)، حيث عادةً ما تضمن القيم البالغة (150) وأكثر ظروف انتشار جيدة على الموجات الديكامترية، وعلى الرغم من أنّ المستويات (200) وأكثر ستضمن أنّها في ذروتها ممّا يرتفع الحد الأقصى للترددات القابلة للاستخدام، وممّا يوفر ظروفاً جيدة للاتصالات اللاسلكية بنطاق التردد العالي.

مستوى النشاط المغناطيسي الأرضي له تأثير سلبي، ممّا يقلل من الحد الأقصى للترددات القابلة للاستخدام كلما ارتفع مستوى النشاط، وبالتالي كلما ارتفع مؤشرا (Ap وKp) زادة الخسارة في (MUFs) حيث يعتمد المقدار الفعلي للخسارة ليس فقط على شدة العاصفة، ولكن على مدتها أيضاً.

يعد فهم المؤشرات الشمسية مفيداً للغاية عند استخدام الاتصالات الراديوية عالية التردد، سواء كانت اتصالات لاسلكية ثنائية الاتجاه أو اتصالات لاسلكية متنقلة أو بث إذاعي أو أي شكل من أشكال الاتصالات الراديوية من نقطة إلى نقطة باستخدام انتشار الأيونوسفير أو (HF) حيث يساعد في التنبؤ بالانتشار الراديوي ويسمح بإجراء تقييم سريع لإمكانية انقطاع الاتصالات.