Chiếc radio AM cũ bắt được một đài địa phương vào ban ngày. Đêm xuống, chỉ vặn núm là nghe được đài khác hàng trăm kilômét ngoài kia — không phải radio bỏ đi, mà tầng điện ly trên đầu bạn vừa thay áo:

Ban đêm tầng F2 điện tử ít đi gấp năm lần: tần số phản xạ từ 9 MHz rơi xuống 4 MHz, và sóng AM bắt đầu nảy giữa tầng điện ly với mặt đất thay vì bị hấp thụ. Một cú nhảy từ tầng điện ly ở 300 km với góc 20° phủ 1 650 km. Slider cho bạn thay electron density (ban đêm ← → ban ngày), tần số phát, và góc ngẩng để xem khi nào sóng phản xạ và phủ bao xa.

Tầng F2: từ công xưởng phát xạ thành bức tường phản xạ

Bầu khí quyển cao từ 100 km trở lên không bao giờ yên tĩnh. Ánh sáng Mặt Trời chỉ electron, tạo ra một khí của những hạt mang điện — tầng điện ly. Tầng dày nhất là F2, lên tới 300 km cao độ, nơi điện tử lại thành khí plasma. Mật độ electron ở đây quyết định mọi thứ: sóng vô tuyến nào có thể quay lại, sóng nào xuyên thẳng ra không gian. Công thức liên hệ tần số phát f với mật độ electron N là:

f_tới hạn = 8,98 · √N  (N theo m⁻³, f theo Hz)

Nó nghe như một hằng số vô duyên, nhưng trên thực tế nó là tần số chặn: sóng dưới tần số này quay lại trái đất; sóng trên nó xuyên qua. Ban ngày tầng F2 đặc như khu công nghiệp — mật độ electron lên 10¹² m⁻³ — đầu điều khiển phản xạ nằm ở 8,98 MHz. Ban đêm, không còn Mặt Trời chiếu, electron tái hợp, mật độ rơi xuống 2·10¹¹ m⁻³ — tần số chặn giảm xuống 4,02 MHz.

Lớp D biến mất: cánh cửa vừa mở

Nhưng thay đổi tần số chặn còn không phải toàn bộ câu chuyện. Ban ngày còn có một thứ gọi là lớp D — vùng ôn dịu giữa 60 và 85 km — nơi các sóng HF bị hút sâu vào (hấp thụ năng lượng, chứ không phản xạ). Sóng AM ban ngày phải vượt qua lớp D này để đến F2, rồi chọc xuyên lớp F2 nếu tần số quá cao — nên nó chỉ nghe được gần phát. Ban đêm lớp D yên nằm, không còn hấp thụ gì. Sóng AM bắt đầu nảy giữa tầng F2 ở 300 km với mặt đất như quả bóng giữa vợt và sàn, che phủ cả ngàn kilômét.

Một sóng phản xạ hay xuyên qua?

Góc phát tia (góc ngẩng) quyết định ngưỡng tần số. Nếu bạn phát tần số f với góc ngẩng θ, tầng F2 sẽ cho phép nó phản xạ chỉ khi:

f < f_tới hạn / sin(θ)  =  MUF

MUF là “tần số sử dụng tối đa” — từng tầng độ cao, từng góc ngẩng đều có riêng một MUF. Với tầng F2 ban đêm (f_tới hạn = 4,02 MHz) và góc 20°, MUF = 4,02 / sin(20°) = 11,74 MHz. Một sóng 7 MHz phát ở góc ấy sẽ phản xạ về trái đất — vì 7 < 11,74. Nhưng nếu tăng góc lên 50°, MUF rơi xuống 5,2 MHz — lúc ấy 7 MHz xuyên qua, tính tửu.

Cú nhảy bao xa?

Một cú nhảy (một lần phản xạ) từ tầng F2 ở độ cao h = 300 km với góc ngẩng θ phủ cự ly d = 2h / tan(θ). Với θ = 20°, d = 2 × 300 / tan(20°) = 1 648 km. Chúng ta gắn tới 1 650 km — đúng những con số ghi ở trên các ăng-ten AM lâu đời chỉ phạm vi phát vào ban đêm. Góc ngẩng nhỏ (tia nông) thì cự ly lớn hơn — nhưng tần số tới hạn sẽ cao hơn (MUF cao hơn), nên chỉ tần số thấp mới phản xạ được. Đó là lý do cụng khí hậu phát AM: tần số 0,5–1,6 MHz chỉ để ban đêm, góc nông, nhảy xa; băng 0,5–30 MHz trên radio sở thích được dùng ban đêm với bước sóng dài-rất dài để chạm tới những lục địa khác.

Trường hợp biên: vươn quá cao là thua

Vượt MUF là mất hẳn — tia xuyên thẳng qua tầng F2 và không bao giờ quay lại. Đó chính là lý do bạn nghe được vệ tinh 145 MHz nhưng không nghe được đài AM từ vệ tinh: tần số vệ tinh quá cao. Ở chiều ngược lại, lớp D ban ngày mặc dù không phản xạ nhưng hút thẳng năng lượng — nó chính là bức rèm hất ngang toàn bộ đài AM 9–12 MHz vào ban ngày; chỉ những đài VLF (dưới 30 kHz) mới xuyên qua được, cháy một công suất khủng khiếp để truyền tin cho tàu ngầm dưới đáy biển.