|
Radyo Haberleşmesinde İyonosferin Önemi
Mehmet CAMALAN [email protected] |
|
Kâinattaki elektromanyetik dalgaların radyo haberleşmesinde kullanılması yolundaki ilk adım, James Clark Maxwell'in 1873'te 'elektromanyetik alan teorisi'ni ortaya atmasıyla başladı. Maxwell, elektromanyetik dalgaların ışık gibi, yansıma, kırılma ve soğrulmaya tâbi olacağını düşünüyordu. Bu dalgaların varlığını, ilk olarak Heinrich Rudolph Hertz 1888'de deneylerle gösterdi. Onun çalışmaları Guglielmo Marconi'ye, mors koduyla telsiz telgraf deneylerini yapması için ilham kaynağı oldu. Marconi 1896'da bilgiyi telsiz telgraf kullanarak birkaç kilometre uzağa iletmeyi başardı. Fakat daha uzak yerlerle, kıtalar veya ülkeler arası telsiz ve radyo haberleşmesi nasıl olacaktı? Marconi, 1901'de 120 metre uzunluğundaki tel anteni balonla gökyüzüne uzatarak, Newfoundland'dan (Kanada) yaptığı telsiz telgraf yayınının 3.000 km uzaklıktaki Cornwall'den (İngiltere) alınmasını da başardı. Radyo dalgalarının atmosferin en üst tabakalarından birini teşkil eden iyonosferde yansımaya uğrayarak yeryüzüne yayıldığını Edward Appleton keşfetti. Telsiz ve radyo vericilerinden uzaya doğru gönderilen elektromanyetik dalgalar, elektrik yüklü bu gaz tabakaya çarpıp yansıyor ve tekrar yeryüzüne, yeryüzünde de daha uzak bölgelere ulaşıyordu. Böylece radyo ve telsiz yayınlarını rahatça takip etmek mümkün hâle geliyordu. Evet artık insan, Yaratıcı'nın koyduğu bir kanunu kullanarak, dünya üzerinde uzun mesafeli (ufuk ötesi) radyo ve telsiz haberleşmesi yapabilir hâle gelmişti. Peki radyo dalgalarının hususiyeti neydi? Radyo dalgaları Elektromanyetik dalgaların frekans spektrumu 'ses altı frekans bölgesi'nden (1Hz) başlayıp kozmik ışınlara (1024 Hz) kadar devam eder (Şekil 1). Radyo ve telsiz haberleşmesi bu frekans spektrumunun bir kısmını teşkil eden elektromanyetik dalgalar kullanılarak gerçekleştirilir. Kullanılan frekans bölgelerine göre radyo haberleşme sistemleri dört gruba ayrılabilir: - LF/MF (Orta / Düşük Frekanslar-Low/Medium Frequency ) — HF (Yüksek Frekanslar-High Frequency) — VHF / UHF (Çok/Ultra Yüksek Frekanslar-Very/Ultra High Frequency) — SHF (Süper Yüksek Frekanslar- Super High Frequency)  Bu sınıflandırma yapılırken radyo dalgalarının özellikleri göz önünde bulundurulmuştur. Radyo dalgalarının özelliklerini benzer veya farklı kılan temel unsur, bulundukları frekans bandı, dolayısıyla da sahip oldukları dalga boylarıdır. Radyo dalgalarının ışık hızında (saniyede 300 bin kilometre) hareket ettiği bilindiğine göre, herhangi bir radyo dalgasının boyunu bulmak için hızını frekansına bölmemiz yeterlidir.Radyo frekans spektrumunda kullanılan frekanslar 20 KHz-30 GHz aralığındadır. Yüksek frekans bandı teorik olarak 3-30 MHz, pratikte ise 1,6-30 MHz'dir. En çok kullanılan bölge ise 4-18 MHz aralığıdır. Atmosfer Kâinatta insanoğluna geçici hayat sahası olarak Dünya'yı veren Rabb'imiz bizi ve bütün hayatı "atmosfer" denen harika bir kalkanla korumaktadır. Bilim adamları atmosferin sırlarını çözebilmek için onu yedi tabakaya ayırarak incelerler. Bu yedi tabaka sıcaklık, basınç, nem değeri ve içinde cereyan eden hâdiseler bakımından birbirinden farklıdır. Yeryüzünden uzaya doğru yükselmeye başlarsak troposfer, stratosfer, ozonosfer, mezosfer, termosfer, iyonosfer ve ekzosfer tabakalarından geçeriz. Bu yolculuk boyunca yaklaşık 3.000 km yol katetmiş oluruz. Atmosfer tabakalarından her birinin, insanların ve yeryüzündeki canlıların hayatı açısından çok önemli vazifeleri vardır. Yağmurların oluşmasından zararlı ışınların engellenmesine, radyo dalgalarının yansıtılmasından göktaşlarının zararsız hâle getirilmesine kadar her tabakanın kendine has bir fonksiyonu bulunmaktadır. İyonosfer tabakasının bugün için bildiğimiz bir vazifesi de radyo dalgalarının yeryüzünde yayılmasında yansıtıcı perde görevi görmesidir. İyonosfer ve radyo dalgalarının yayılması Uzun mesafe radyo haberleşmesinin sağlıklı bir şekilde gerçekleştirilmesi birçok faktöre bağlıdır. Kullanılan radyo dalgalarının frekansına, mevsime, güneşin durumuna, yayın yapılan yerin konumuna ve günün saatine bağlı olarak haberleşme mesafesi 100 km'den 10.000 km'ye kadar değişmektedir. Radyo dalgaları, yeryüzü dalgaları (Ground Wave) ve gökyüzü dalgaları (Sky Wave) olmak üzere iki şekilde yayılır (Şekil 2). Belirli bir zaman ve yayın yolu için en uygun frekansın seçilmesi yüksek frekans radyo iletişiminde önemlidir. İyonosfer, elektrik yüklü parçacık ve gazların bulunduğu, dünya yüzeyinden 50-440 km yükseklikteki atmosfer tabakasıdır. Güneşten gelen radyasyonun tesiriyle iyonosferdeki atomlar elektronlarını kaybeder ve elektrik yüklü parçacıklar hâline gelir, yani iyonlaşır. İyonosfer ufuk ötesi telsiz ve radyo haberleşmesi için neden çok önemlidir? Çünkü, Dünya'yı çepeçevre saran iyonosferdeki elektrik yüklü gaz molekülleri (iyonlar) radyo dalgalarını yansıtarak ufuk ötesi haberleşmeyi mümkün kılar. İyonosferde frekansa ve iyonlaşmaya bağlı olarak radyo dalgaları tamamen yutulur, kısmen kırılmaya uğrayıp uzaya yayılır veya yansıyarak yeryüzüne geri döner. 30 MHz frekansa kadar olan elekromanyetik dalgalar iyonosferden yansıyarak dünyaya geri dönebilir. İyonosferin uzaya doğru sırasıyla D, E, F1 ve F2 olmak üzere farklı iyonlaşma seviyelerine sahip alt tabakalardan meydana geldiği kabul edilir (Şekil 3). Dıştaki katmanların iyonlaşma seviyesi içtekilere göre daha fazladır. D tabakası yeryüzünden 76-93 km yukarıda olup, iyonosferin en iç katmanıdır. Sadece gündüzleri iyonize olur ve en yüksek iyonlaşma seviyesine öğle vakti ulaşır; güneş batarken iyonlaşması hızla azalır. Yer yüzeyinden 110-127 km yükseklikte olan E katmanı da öğle vaktinde maksimum iyonlaşma seviyesine ulaşır. Gün batımına doğru iyonlaşması azalmaya başlar ve gece yarısı tamamen kaybolur. Bu katmanda ayrıca beklenmedik zamanlarda iyonize gazlar bulut şeklinde belirli bölgelerde toplanır. "Sporadik E katmanı" denen bu bölgeler yüksek frekans haberleşmesinin üst sınırındaki frekanslarda kullanılır. Kısacası, D ve E katmanları gün içinde kullanılırlar ve güneş tepede iken en aktif haldedirler. İyonosferin bir sonraki katmanı olan F, uzun mesafeli iletişim için kullanılır. F katmanının bulunduğu yükseklikte hava yoğunluğunun (gaz moleküllerinin) az olması, iyon ve elektronların yeniden birleşmelerini oldukça yavaşlatır. F katmanında birbirinden neredeyse bağımsız F1 ve F2 tabakaları bulunur. F1 tabakası yeryüzünden 152-203 km mesafede olup radyo haberleşmesi için önemli bir yayın ortamı değildir. Gece olunca F2 tabakasıyla birleşir. 85 km kalınlıktaki F2 ise, yeryüzünden yaklaşık 300 km yüksekliğe kadar uzanır. En yüksek iyonlaşma seviyesine öğle vakti ulaşır ve gece boyunca iyonize halde kalır. Fakat güneşin doğuşuna doğru iyonlaşma seviyesi en düşük değerine iner. F2 katmanı gün içinde 10-20 MHz, gece ise 3-8 MHz için kullanılabilir. Bu durumda gece faydalanılan tek katman, F1 ve F2 tabakalarının birleşiminden oluşan F katmanıdır. Güneşin yaydığı radyasyon ve bunun sonucu olarak iyonlaşma periyodik olarak değişir. Meselâ yaz aylarında günler uzun olduğundan, iyonlaşma daha fazla olur. Bu zamanlarda gökyüzü dalgaları D ve E katmanlarında daha çok yutulduğundan veya zayıflatıldığından yayın çok az bir alana ulaşır. Sonbahar ve kış aylarında gündüzler kısa olduğu için D ve E katmanlarına daha az güneş enerjisi ulaşır. Böylece düşük frekanslı radyo dalgaları kolaylıkla zayıf iyonlaşma durumundaki D ve E katmanlarından geçip, daha güçlü olarak F katmanına ulaşır ve daha uzun mesafelere yansıyarak yol alır. İyonlaşmada rol verilen uzun vadeli bir faktör ise, güneş lekelerinin 11 yıllık patlama periyodudur. Güneş lekelerinde meydana gelen radyasyon patlamaları yüksek seviyede iyonlaşma olmasında rol oynar. Yani daha fazla güneş lekesi daha fazla iyonlaşmaya sebep olur. Düşük güneş lekeleri döneminde, E ve F tabakaları radyo dalgalarını yeryüzüne yansıtamayacak kadar zayıf iyonlaşma gösterdiğinden, 20 MHz'in üzerindeki frekanslar pek kullanılamaz. Güneş lekelerinin en güçlü olduğu dönemde, 30 MHz'in üzerindeki frekanslar kullanılarak dünya çapında radyo dalgalarıyla haberleşme yapılabilir. Bu düzenli değişimin yanısıra, radyo dalgalarının yayılmasına menfi tesir eden ve 'iyonosfer bozucuları' diye adlandırılan güneş alevlerinin sebep olduğu hâdiseler bilinmektedir; ama bu mekanizma ve hikmeti, henüz tam olarak anlaşılamamıştır (Şekil 4). Beklenmedik iyonosfer bozucuları, gökyüzü dalgaları kullanılarak yapılan haberleşmeyi saatlerce veya günlerce bozabilir. Güneş alevleri D tabakasında şiddetli iyonlaşma oluşmasına ve yeryüzünün güneşe bakan tarafından gelen yüksek frekans radyo dalgalarının bile bu tabakada yutulmalarına sebep olur. Güneş alevlerinin güneş yüzeyinden kopmalarından oluşan manyetik fırtına 20 ile 40 saat sonra dünyaya ulaşır ve F tabakasının kırma özelliğinin geçici olarak iptal edilmesinde rol oynar.  Radyo haberleşmesinde frekans ve yayılma yolunun tespit edilmesiRadyo dalgalarıyla haberleşmede kullanılacak frekansın belirlenmesi sağlıklı haberleşme için önemli bir parametredir. Öncelikle belirli iyonosfer şartları altında belli bir iletişim yolu için kullanılabilecek en yüksek frekans MUF (Maximum Usable Frequency) ve en düşük frekans LUF (Lowest Usable Frequency) belirlenir. MUF'un üstündeki frekanslar iyonosferi delip geçer, altındakiler ise yansır. LUF ise iyonosferde, özellikle D katmanında, tamamen yutulan en düşük frekanstır. Kullanılacak frekans MUF x 0,85 olarak alınırsa, sağlıklı bir haberleşme yapılabilir. Bu frekans geceleri daha düşük, gündüzleri ise, daha yüksek olabilir. Haberleşme frekansına ek olarak radyo dalgasının ulaşması gereken noktaya hangi yoldan gönderileceğinin de iyi hesaplanması gerekir. Gökyüzü dalgalarının atmosfere giriş açısı (incident angle) yeryüzünde katedeceği yolu belirler. Radyo dalgasının yansıyabilmesi için giriş açısı yeterince küçük, soğrulmaması için de yeterince büyük olmalıdır. Uzak istasyonlara ulaşmak için büyük, yakındakiler için küçük açılar kullanılır. Hem gökyüzü hem de yer dalgasıyla yayın yapılırsa, yer dalgasının ulaştığı en uzak noktayla gökyüzü dalgasının ulaştığı en yakın nokta arasında yeryüzünde ölü bir bölge oluşur. Sonuç olarak, güneş lekelerinin güçlü olduğu dönemler haricinde 30 MHz'den yüksek frekanslara sahip radyo dalgaları iyonosferde yansımaya uğramadan atmosferi delip geçebildiğinden, atmosfer dışı ile dünya arasında haberleşme yapma imkânı doğar. Haberleşme uyduları vasıtasıyla yapılan ufuk ötesi haberleşmelerde 30 MHz üzerindeki radyo dalgaları kullanılır. Yapay uydular ilham kaynakları olan iyonosfer tabakası gibi yansıtma görevini yerine getirirler (Şekil 5). Yeryüzünden gelen radyo dalgalarını kapsama alanlarına yansıtırlar, böylece bu bölgelerde radyo dalgalarına ulaşmak mümkün olur. Fakat insan yapısı uyduların sınırlı kapsama alanları vardır. Bunlar insanoğlunun sahip olduğu en ileri teknolojiyle üretilmekle birlikte, maliyetleri oldukça yüksek ve en iyi şartlarda 20-30 yıllık ömürleri olan sistemlerdir. Fakat 30 MHz'den düşük frekanslara sahip radyo dalgalarına karşı iyonosfer tabakası dünyanın etrafını tamamen sarmış olan tabiî bir uydu gibi görev yapmaktadır. Bundan dolayı herhangi bir noktaya odaklama yapmamız gerekmez. Ayrıca bakım ve enerji istemez, ömrü de bitmez. Atmosfer var oldukça istifademize âmâde olan bir haberleşme vasıtasıdır. Dünyamızda, genel olarak fizikî âlemde; mânâsız ve lüzumsuz hiçbir şeyin bulunmadığı, kâinatın insana hitap eden ne büyük nimetlerle donatıldığı zamanla daha iyi anlaşılıyor. _____________________ Kaynaklar 1- Radio Communications in the Digital AGE volume one: HF Technology, Haris, 1996. 2- Radio Communications in the Digital AGE volume TWO: VHF/UHF Technology, Haris, 2000 3- HF Theory eTraining Course, Harris RF Communications, 2002. 4- Your Guide to Propagation, Ian Poole, Radio Society of Great Britain, 1998. 5- Atmosferde Bir Yolculuk, Prof. Dr. Osman Çakmak, Sızıntı, Temmuz 2001. |
|
