Ионосфера и радиосвязь

Уже через год после поразительного эксперимента Маркони американский инженер-электрик Артур Кенне-ли и английский физик Оливер Хевисайд независимо друг от друга предположили, что дальнее распространение радиоволн объясняется тем, что Землю окружает электропроводящий ионизированный слой, способный отражать радиоволны. Интересно, что авторитетный научный журнал в то время не принял к печати статью на эту тему, объявив саму идею существования такого слоя «вздорной». Но, как сказал древнеримский оратор и мыслитель Марк Туллий Цицерон, «время устраняет предрассудки и утверждает законы природы». Загадочная область прочно завоевала права гражданства под названием «слой Хевисайда». Теоретики ее предсказали, а экспериментаторы стали ее искать.

Идея была, но в нее мало кто верил. Новые представления, тем более столь радикально меняющие наши взгляды на проблему, далеко не сразу становятся общепринятыми. Долгое время гипотезы о наличии в верхней атмосфере электропроводящего слоя, способного отражать радиоволны, считались недоказуемыми.

Коренной перелом наступил тогда, когда стало известно, что коротковолновики-радиолюбители бьют все рекорды дальней связи. Радиолюбительские передачи с западных берегов Шотландии принимались в Соединенных Штатах Америки, а уже в 1922 г. радиолюбители установили двустороннюю уверенную связь между Европой и Америкой. Специалисты были потрясены. Самодельные слабенькие передатчики оказались более даль-нодействующими, чем мощные длинноволновые официальные радиостанции с крупногабаритными антеннами, мачтами и башнями!

Вскоре служебные радиостанции стали регулярно применять короткие волны для дальней связи. В 1925 г. ионосфера — «волшебное зеркало планеты» — была открыта экспериментально. Группа английских радиофизиков в одной из лабораторий Кембриджского университета сконструировала приемные антенны, которые не только принимали сигналы удаленных радиостанций, но и позволяли определить направление прихода радиоволн. Передатчик был расположен на севере Англии, а приемник — на юге. Расстояние между ними было около 400 км. Когда посмотрели, откуда приходит к приемнику радиосигнал, то оказалось, что волна принимается не с севера, а сверху! Так, 1925 год стал «годом рождения» ионосферы.

Конечно, первые шаги в исследованиях ионосферы, как, впрочем, и в любых исследованиях, не обходились без ошибок, и серьезных, и курьезных. Современник и помощник сэра Эдуарда Эпплтона, получившего впоследствии Нобелевскую премию по физике за исследования в области ионосферного распространения радиоволн, Дж. Ратклифф (один из лидеров современной физики ионосферы) вспоминает:


«Пытаясь узнать, чем определяется отражение радиоволны от ионосферы — электронами или тяжелыми ионами, мы измеряли поляризацию отраженной волны (то есть направление вращения электрического вектора волны. — Э. С. К.). Я помогал Эпплтону в этих измерениях, и в первом наброске нашей статьи об этих результатах мы написали, что и теория, и эксперимент показывают, что приходящая волна должна иметь правую круговую поляризацию (то есть вектор вращается по часовой стрелке, если смотреть вдоль по направлению распространения волны.— Э. С. К.). Я хорошо помню, в какой ужас я пришел, когда обнаружил свою ошибку в интерпретации данных измерений, которые ясно указывали, что поляризация должна быть левой, а не правой. Мое письмо Эпплтону об этой ошибке пересеклось с его письмом ко мне, где он писал о том, что тоже сделал ошибку в знаке при выводе теоретического уравнения, так что поляризация должна быть левой. Итак, эксперимент все-таки совпал с теорией. Можно сказать, что все ученые делают ошибки, но лучшие из них ошибаются дважды и так, чтобы одна ошибка компенсировала другую…»


Способность ионосферы менять направление радиоволн — это бесценный подарок природы человечеству. Замечательный советский специалист в области распространения радиоволн академик А. Н. Щукин написал: «Можно сказать без преувеличения, что не будь отражения и преломления радиоволн в верхних слоях атмосферы, роль радио как средства связи сократилась бы на 90—95%». Теперь, рассчитывая радиолинию, инженер должен искать в ионосфере подходящие «точки отражения», чтобы излученный радиосигнал, отразившись один или несколько раз от ионосферы, попал в зону радиоприема.

Неоднородная ионосферная плазма, да еще находящаяся в магнитном поле Земли, оказалась весьма не простой средой для распространения электромагнитных колебаний. Радиоволны испытывают в такой среде ее сильное воздействие. Это совсем не похоже на простое прямолинейное распространение в вакууме без каких-либо искажений, где затухание волны происходит только за счет того, что растет расстояние от источника колебаний, и энергия радиоволны распространяется по все большему объему.

При распространении в ионосфере часть энергии волны тратится еще и на то, чтобы «раскачать», заставить ритмично колебаться ионы и электроны. Во время таких колебаний заряженные частицы, конечно, сталкиваются друг с другом, а также с нейтральными частицами и отдают им энергию, заимствованную из поля волны. В результате само электромагнитное поле становится слабее. Такой процесс называется «поглощение радиоволн в ионосфере». Степень поглощения зависит от трех факторов: концентрации частиц, частоты соударений и частоты волны. Ясно, что чем больше концентрация и частота соударений, тем сильнее поглощается радиоволна. А как связана с поглощением частота самой волны? Если частота высока, значит, электроны и ионы «подталкиваются» волной очень часто. Электрон еще не успел растратить сообщенный ему запас энергии от предыдущего «толчка», а уже получает новый. Поглощение энергии высокочастотного колебания поэтому будет много меньше, чем энергии низкочастотного. Другими словами, длинные волны затухают в ионосфере гораздо сильнее, чем короткие.

Оцените статью
АстроЭра
Добавить комментарий