Характеристика ионосферной плазмы

Любая область перспективных исследований должна нести на себе некое бремя сегодняшних проблем, вносить вклад в решение насущных задач науки, техники, народного хозяйства. Ну, а радиосвязь — один из важнейших прикладных аспектов использования тех характеристик ионосферной плазмы, которые можно получить, применяя описанные в этой книге методы ионосферных измерений. Связь на коротких волнах до настоящего времени является основным видом магистральной радиосвязи на больших (несколько тысяч километров) расстояниях. В радиовещании, загоризонтной радиолокации, а также при осуществлении связи с морскими судами, самолетами, низколетящими спутниками и космическими кораблями также используется ионосферное распространение коротких радиоволн.

Основой прогноза условий радиосвязи является прогноз состояния ионосферы. И здесь надо понять, что изучить ионосферу только путем экспериментов, сколько бы их ни было, нельзя. Какой бы эффективный ракетный пуск мы ни осуществляли, какой бы дорогостоящий и сложный эксперимент ни провели — они дадут информацию о состоянии ионосферы для конкретного набора влияющих на нее факторов. А таких факторов слишком много, чтобы путем экспериментов перебрать все мыслимые их комбинации. Это просто-напросто невозможно. Значит, надо открыть законы изменения состояния ионосферы, построить физико-математические модели ее поведения. Но сказать, что эта задача учеными полностью решена, увы, пока еще нельзя.

Прогноз ионосферных характеристик пока в основном ведется на основе длительных рядов наблюдений мировой сетью ионосферных станций. Эти наблюдения позволяют, например, найти эмпирическую зависимость критических частот регулярных ионосферных слоев Е, F], F2 от координат места наблюдения, времени суток, сезона и уровня солнечной активности. Эмпирической в физике называют закономерность, найденную из опыта, из эксперимента, но не объясняемую полностью физической теорией. С поступлением новых данных эмпирические зависимости непрерывно уточняются.

Распространение коротких волн на большие расстояния происходит, как правило, скачками, путем последовательных отражений от «стенок» волновода Земля — ионосфера. Условия радиосвязи в конечном итоге определяются силой сигнала, напряженностью электромагнитного поля в месте приема. Для того чтобы предсказать эту величину, необходимо знать траекторию распространения радиосвязи между передатчиком и приемником (расстояние скачка, углы прихода) и степень поглощения радиоволн на трассе. Кроме того, при расчете необходимо учитывать замирания, которые вызываются как интерференцией в точке приема многих лучей, испытавших различное число отражений от ионосферы, так и наличием ионосферных неоднород-ностей.

С какими же характеристиками ионосферной плазмы связаны конкретные характеристики радиосвязи? Важнейший вопрос для связиста: на каких частотах вести работу, какие применять длины волн? Обычно работают не на одной частоте, а в диапазоне частот — от максимально применимой частоты (МПЧ) до наименьшей применимой частоты (НПЧ). Максимально применимая частота — это наибольшая частота радиоволны, способной отразиться от ионосферы при заданном расстоянии; она определяется критической частотой отражающего слоя ионосферы, то есть электронной концентрацией в максимуме слоя.

Значит, чтобы рассчитать МПЧ, надо получить вы-сотно-частотную характеристику в точке отражения, то есть иметь в этом месте ионосферную станцию.

Частота радиосвязи, ограничивающая диапазон рабочих частот снизу — НПЧ — зависит от степени поглощения радиоволн в ионосфере.

Расстояние скачка — существенная характеристика радиосвязи — зависит не только от направленности излучения и рабочей частоты, но и от высоты отражающего ионосферного слоя.

Итак, три фактора — высота слоя, концентрация свободных электронов и степень поглощения — определяют условия радиосвязи, и именно их надо прогнозировать. И такие прогнозы составляются, как правило, на месяц вперед; конечно, для спокойного, обычного состояния ионосферы.

Но спокойное состояние ионосферы в любой момент может нарушить «главный дирижер» геофизических явлений — Солнце. Поэтому прогностические центры непрерывно получают сведения о солнечной активности, магнитных бурях, интенсивности космических лучей. Анализируя эти данные вместе с поступающей каждые несколько часов информацией от сети ионосферных станций, специалисты составляют краткосрочный радиопрогноз — на пятидневку, на сутки и даже на несколько часов вперед. Это дает возможность вовремя изменить режим работы на радиолинии (изменить частоту, увеличить мощность, сменить антенну и т. д.), чтобы обеспечить бесперебойную связь и в неблагоприятных условиях, в периоды ионосферных возмущений.

Да, радиопрогноз, это, разумеется, хорошо, но вот беда — иногда он не оправдывается. По прогнозу все «спокойно», а связи нет… А есть ли какой-нибудь способ перед тем, как начать сеанс радиосвязи, точно узнать, правильно ли выбраны радиосредства, будет ли связь успешной? Фантастика? Нет, такое средство было найдено.

Способ заранее «прострелить» радиотрассу, чтобы определить наиболее благоприятные условия связи, называется «возвратно-наклонное зондирование ионосферы». Исследователи ионосферного распространения радиоволн заметили, что радиоволны после отражения от ионосферы и затем от Земли могут вернуться по тому же пути обратно, к тому месту, где они начали свое путешествие. Место встречи радиоволн с Землей становится как бы ретранслятором, источником вторичного излучения в обратном направлении. Сильно ослабленная, такая «обратная волна» может быть зарегистрирована на передающей станции.

Это очень важный факт. А важен он, поскольку говорит о том, что сигнал дошел до корреспондента — значит, на той волне и в том направлении, которые выбрал оператор, можно начинать радиопередачу. А если сигнал не вернулся? Надо изменить рабочую частоту или угол излучения и подобрать и то, и другое таким образом, чтобы обратный сигнал был.

Практически поступают так: «простреливают» заданную трассу на нескольких частотах, а затем применяют ту, на которой радиосвязь пойдет лучше всего. Такой способ является существенным подспорьем радиопрогнозу, особенно когда состояние ионосферы быстро меняется.

Короткие волны, отразившись от ионосферы, быстро уходят за горизонт, но если они оттуда возвращаются, значит можно «увидеть» с их помощью, что происходит там, за горизонтом? Обычный радиолокатор «видит» цель на сравнительно небольших расстояниях. Если самолет летит на высоте 10 тыс. м, то обнаружить его можно на расстоянии примерно 400 км. Если он снизится до 100 м, дальность обнаружения еще меньше — 50 км. А тут появляется возможность загоризонтной радиолокации на расстоянии нескольких тысяч километров! Радиоимпульсы радара, отраженные ионосферой, достигают удаленного объекта, а отразившись от него, они благодаря той же ионосфере вернутся к передатчику. Поскольку радиолуч претерпевает при этом как минимум троекратное отражение, возвращающийся сигнал очень слаб. Но это уже дело техники — принять, усилить, расшифровать.

Так «волшебное зеркало планеты» дает нам возможность «заглянуть» в самые удаленные и труднодоступные уголки земного шара.

Много проблем у связистов возникает из-за наличия так называемого поглощения в полярной шапке, когда под действием вторгающихся в ионосферу солнечных протонов интенсивный рост ионизации охватывает обе полярные шапки — от полюсов до зоны полярных сияний,— причем продолжается это явление несколько дней. В эти периоды коротковолновая связь в высоких широтах серьезно нарушается, а иногда становится просто невозможной в течение длительного времени.

Когда появились спутники, специально предназначенные для радиосвязи и работающие на частотах далеко за пределами того диапазона, на который в основном действует ионосфера, то сперва показалось, что многие проблемы ионосферного распространения радиоволн утратили свою былую значимость. Но этот вывод оказался весьма преждевременным. Я уж не говорю о колоссальной стоимости и сложности систем запуска спутников и их эксплуатации, что делает в ряде случаев невозможным или попросту экономически нецелесообразным использование таких систем. Я не хочу рассматривать проблему уязвимости спутниковой связи с точки зрения обороны. Просто некоторые области Земли, в частности полярные, практически недоступны для связи с помощью геостационарных спутников, а мелкомасштабные неоднородности в ионосфере вызывают сильнейшие искажения сигналов спутниковой связи даже на очень высоких и сверхвысоких частотах в диапазоне нескольких гигагерц, то есть нескольких миллиардов колебаний в секунду.

Таким образом, ясно, что и диагноз, и прогноз ионосферы очень рано списывать в архив устаревших научных проблем. Они нужны и ученым, и практикам. Международные научные организации эти задачи признают и актуальными, и достойными внимания будущих поколений исследователей.


Казимировский Э. С.

 

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Все о космосе
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: