Радиоволны

А чем определяются условия отражения радиоволн в ионосфере? Ведь мы теперь знаем, что плазменная оболочка нашей планеты простирается на сотни километров и электронная концентрация сложным образом меняется с высотой: то растет, то падает, образуя максимумы и минимумы ионизации на различных высотах. Где, на какой высоте отразится радиоволна? Ведь от этого зависит и ответ на вопрос: куда она придет на земной поверхности — в ту точку, где расположен приемный радиоцентр, или за тысячу километров от него, где принять посланную информацию вовсе некому?

Условия отражения радиоволн в ионосфере в принципе тоже определяются тремя факторами: длиной волны (или частотой радиоволны), электронной концентрацией и углом падения радиоволн на ионосферу. В большинстве случаев технические возможности связных радиопередающих центров не позволяют менять в больших пределах направленность излучения, то есть угол падения радиолуча на ионосферу. В таком случае все определится соотношением между электронной концентрацией и частотой радиоволны. Чем выше электронная концентрация, тем более короткие радиоволны способно отражать ионосферное зеркало.

Долгий опыт применения коротких волн для дальней связи давно дал возможность узнать, что днем нужно работать на более короткой волне, чем ночью. Это простое правило применяется во всем мире. И теперь нам ясно, почему существует такая закономерность. Ведь днем электронная концентрация в ионосфере максимальна за счет ионизирующего действия Солнца. В дневные часы связь на больших расстояниях ведется на метровых волнах длиной 15—20 м (20—15 МГц). Ночью, когда концентрация электронов резко падает, дневные волны уже не попадают к корреспонденту, и надо в два-три раза изменить длину волны, перейти к ночным волнам — 30—45 м (10—7,5 МГц). Именно для таких волн ночная ионосфера обеспечивает надежную работу линий радиосвязи.

Поскольку электронная концентрация в ионосфере меняется не только со временем суток, но и с высотой, радиоволны разных диапазонов, естественно, будут отражаться от различных атмосферных слоев. Например, сверхдлинные и длинные волны отражаются от самых «бедных электронами» ионосферных слоев — от слоя D и нижней кромки слоя Е. Волна бежит между Землей и ионосферой, отражаясь то от Земли, то от ионосферы. Получается своеобразный «волновод», и волна пробегает огромные расстояния, почти не затухая.

Слой D и слой Е — самые «спокойные» из всех ионосферных слоев, их в меньшей степени, чем область F, затрагивают изменения солнечной и магнитной активности. Но во время солнечной вспышки под действием жесткого рентгеновского излучения количество электронов в слое D резко возрастает, и из-за сильного поглощения вся коротковолновая связь на освещенной стороне нашей планеты прекращается. Прекращение радиосвязи может длиться примерно от нескольких минут до часа. Главные особенности этих явлений выяснили в 30-х годах нашего столетия немецкие радиофизики Мёгель и Деллинджер, и поэтому в литературе внезапные ионосферные возмущения иногда называют эффектом Мёгеля — Деллинджера.

Для радистов-коротковолновиков эффект Деллинджера — довольно неприятная вещь, особенно на загруженных и важных радиотрассах. Сигналы исчезают столь внезапно, что, кажется, вышла из строя радиоаппаратура. На первых порах инженеры начинали срочно разбирать приемники и искать причину аварии. А виновато, как мы сейчас точно знаем, Солнце. Вернее, вспышки на Солнце. О самих вспышках мы еще будем говорить подробнее. А сейчас важно сказать, что невидимые радиолинии на Земле всегда рвутся примерно через 8 мин после того, как на Солнце появляются яркие полоски и запятые — внешние проявления колоссальных взрывов в недрах нашего светила.

Во время вспышки в космическое пространство выбрасывается мощный поток жесткого рентгеновского излучения. Это излучение проникает в нижний ярус ионосферы, слой D, вызывает там бурную ионизацию газовых частиц. В пять, десять раз увеличивается концентрация свободных электронов в нижней кромке ионосферы. А она играет роль поглощающей среды для всех волн, которые через нее проходят. Радиосигналы теряют в слое D всю свою энергию и уже не возвращаются к Земле, связи нет! И только потом, когда ионизация медленно возвращается к норме, начинает восстанавливаться и радиосвязь.

Для длинных волн даже эффект Деллинджера не страшен — наоборот, зеркало слоя D становится для них еще более «добротным», условия прохождения улучшаются. Поэтому длинноволновые линии радиосвязи, хоть и дорогостоящие, сложные по устройству и в эксплуатации, наиболее устойчивые и надежные. Их часто используют как резерв на случай нарушения работы коротковолновых линий.

Средние волны распространяются и поверхностной, и пространственной — отраженной от ионосферы — волной. Они сильно поглощаются и почвой, и ионосферой, особенно днем. Если вы слушаете средневолновую вещательную станцию днем, это значит, что она удалена от вас не больше чем на несколько сот километров. К вам приходит поверхностная волна. Все попытки принять в дневное время дальнюю средневолновую станцию обычно бывают безуспешными. А вот ночью в том же диапазоне можно принять не только местные станции, но и удаленные на 4—5 тыс. км. Это приходит ионосферная волна, отраженная от слоя Е: или нижней части области F. А поглощающее действие нижележащего слоя D ночью незначительно. Вот и делает радиоволна «большой скачок».

Больше всего пригодны для многократных отражений от ионосферы и дальней радиосвязи все-таки короткие волны. Дело в том, что благодаря высокой частоте они и поглощаются слабее, и забираются высоко в глубь ионосферы, до высоты слоя F2, туда, где концентрация электронов достаточно высока. А раз точка отражения высоко, то, направив радиолуч на ионосферу под небольшим углом к горизонту, можно заставить его сделать «прыжок» сразу на 3—4 тыс. км. Вернувшись из космоса, радиоволна отражается от земной поверхности и вновь уходит в ионосферу! За доли секунды она может обежать весь земной шар и даже попасть в то же место, откуда антенны радиопередатчика отправили ее в кругосветное путешествие.

Кстати, если к месту приема одновременно приходят радиоволна, отраженная от ионосферы один раз, и радиоволна той же частоты, но отраженная от радиозеркала несколько раз, то для радиосвязи в этом нет ничего хорошего. Кругосветное «эхо» мешает, искажает передаваемую информацию, удваивает сигналы. И телеграфная точка (буква «е») превращается в две точки (буква «и»), изображение «двоится», а музыку слушать и вовсе невозможно. И вот приходится конструировать специальные узконаправленные антенны, чтобы избежать нежелательного явления, а то и менять длину волны в надежде, что на другой частоте кругосветного эха не будет.

Вообще связь на коротких волнах полностью контролируется и определяется состоянием ионосферы. Все изменения «волшебного зеркала» — вариации высоты и толщины ионосферных слоев, возрастание и уменьшение электронной концентрации, образование ионосферных облаков-неоднородностей, усиление и ослабление ионосферных ветров — все это немедленно отражается на качестве радиосвязи. А от чего зависит состояние ионосферы? В первую очередь — от солнечной активности. Вот почему во время магнитных бурь и полярных сияний прерывается радиосвязь, особенно в высоких широтах. Ведь в полярную ионосферу вплоть до самых нижних ее слоев «высыпаются» высокоэнергичные частицы из радиационных поясов, нагревая ионосферу, меняя ее свойства. После хромосферной вспышки, когда через несколько часов самые быстрые солнечные протоны достигают Земли, в полярных шапках планеты (Арктике и Антарктиде) короткие и средние волны сильно поглощаются, особенно в том полушарии, где в это время полярное лето. Через сутки-двое после солнечной вспышки происходит «вспышка поглощения» радиоволн в зоне полярных сияний.

Если радиотрасса проходит внутри или даже вблизи таких областей поглощения и точка отражения приходится на «особо опасные» места, то во время сильных ионосферных возмущений условия распространения радиоволн становятся крайне неблагоприятными. Ни мощный передатчик, ни чувствительный первоклассный приемник положения не спасают. Приходится часто идти «обходным путем» — через несколько последовательных радиолиний, проходящих в «безопасных» широтах.

Существуют регулярно действующие факторы, влияющие на состояние ионосферы: смена дня и ночи, смена сезонов года, цикличность солнечной активности, изменения по широте и т. п. Столь же регулярно надо менять и рабочую длину волны, если мы хотим обеспечить радиосвязь между заданными точками. Поэтому надо непрерывно следить за состоянием ионосферы точно так же, как это делают метеорологи, следя за состоянием нижней атмосферы, за элементами погоды. И если синоптики составляют прогноз погоды, то для связистов нужен «радиопрогноз» — прогноз условий радиосвязи — долгосрочный (скажем, на месяц вперед), рассчитанный для спокойного состояния ионосферы, и краткосрочный, с учетом внезапных проявлений солнечной активности. Мы еще вернемся к тому, как составляется прогноз «радиопогоды», но несколько позже.

А пока попытаемся представить себе, что же произойдет, если мы будем излучать под постоянным углом волны все большей частоты? Чем выше частота, тем больше должна быть электронная концентрация в точке отражения, не так ли? Значит, поскольку концентрация электронов растет с высотой, точка отражения будет подниматься все выше и выше. Вот она достигла области главного максимума ионосферы, где концентрация электронов наиболее велика. А дальше? Частота радиоволны, по нашему условию, растет, а электронной концентрации уже не хватает, чтобы заставить волну отразиться — ведь выше главного максимума концентрация электронов, как мы знаем, падает.

Что же будет с радиоволной? Радиолуч «пробьет» ионосферу и уйдет в межпланетное пространство. Именно это и происходит в диапазоне УКВ: сантиметровые и миллиметровые волны от ионосферы обычно не отражаются, поэтому наземная радиосвязь на этих волнах возможна  обычно только в пределах прямой видимости.

Ультракороткие радиоволны применяют в телевидении и радиолокации. Это также наиболее удобный диапазон для связи между Землей и космическими кораблями. И только иногда, когда концентрация электронов аномально велика (например, образуется мощный спорадический слой), возможно отражение УКВ от ионосферы и сверхдальнее распространение радиоволн этого диапазона. При высоте отражения 100—110 км прием телевизионных программ возможен на расстояниях 1000—2500 км.

Стоит появиться сильному спорадическому слою, как в распространении радиоволн начинаются всякого рода «чудеса». Например, без всяких ретрансляторов и станций «Орбита» удается наблюдать телевизионные передачи далеко за пределами района их прямой видимости. Где-нибудь в Горьком или Одессе на экранах телевизоров появляются дикторы шведского или французского телевидения. Благодарить за это надо капризный слой Es, «умеющий» отражать метровые радиоволны, на которых работают телевизионные станции. Правда, иногда и в более низких атмосферных слоях, в стратосфере, тоже создаются условия для сверхдальнего распространения УКВ.

Важной особенностью ионосферного распространения радиоволн является то, что связь между передатчиком и приемником может осуществляться не на любом расстоянии, а только там, где радиоволна возвращается на Землю после отражения. Вокруг передатчика будут образовываться круговые (если радиоволны излучаются равномерно во все стороны) зоны — чередующиеся зоны «слышимости» и «молчания».

Нужно так рассчитывать радиотрассу, чтобы ваш корреспондент находился в зоне уверенного приема. Но провести такой расчет не очень просто, потому что зона приема «кочует» — то приближается, то удаляется от передатчика. Причин такого непостоянства две: во-первых, меняется состояние ионосферы, во-вторых, радиоволны могут распространяться в ионосфере по-разному, отражаясь от разных ионосферных слоев. И в каждом случае будут свои зоны слышимости и молчания. Чтобы знать их расположение, опять-таки необходимо следить за состоянием ионосферы вдоль трассы.

Разные траектории распространения радиоволн приводят к возникновению еще одного явления — замиранию или федингу радиосигналов. Что же такое замирание? Возможно, слушая радиопередачи на коротких волнах, вы замечали, что звук все время меняет громкость и иногда очень резко. Впечатление, что его источник то пропадает, то вновь возникает. Может быть меняются мощность передатчика или чувствительность приемника? Ни то, ни другое. Это «дышит» ионосфера.

В физике рассматривается такое явление, как «сложение колебаний», или интерференция. Если в одну точку приходят колебания одной частоты, то они могут либо усиливать, либо ослаблять или даже полностью уничтожать друг друга в зависимости от того, какова разница во времени их прихода в данную точку. Если колебания приходят одновременно, или, как говорят, в фазе, то происходит усиление сигнала. Если разница во времени прихода составляет половину периода колебаний и амплитуды колебаний одинаковы, то волны полностью «погасят» друг друга, так как они пришли в про-тивофазе. Естественно, возможны промежуточные ситуации, когда интерференция приводит к очень сложной картине — к беспорядочным, почти случайным изменениям силы результирующего сигнала.

Когда в точку приема приходят радиолучи, по-разному прошедшие свой сложный путь в ионосфере, а значит, затратившие на это путешествие разное время, то интерференция этих лучей и вызывает замирания. Многолучевость — не единственная причина замираний. Такой же эффект может вызвать наличие в ионосфере своеобразных «облаков» ионизации, непрерывно движущихся под действием ионосферных ветров. Радиозеркало в этом случае — уже практически не зеркало, а скорее матовое стекло. Подходит к нему один луч, а уходит от него целый пучок рассеянных шероховатой поверхностью лучей. Отражение, конечно, имеется и в этом случае, но не зеркальное. В приемник попадают опять-таки волны с разной фазой, и электродвижущая сила в приемной антенне за какую-нибудь долю секунды может измениться в тысячи раз.

С точки зрения науки фединг — явление полезное, поскольку дает нам возможность исследовать неоднородную структуру и динамику ионосферы, то есть ветры, волновые возмущения и т. п. Но с точки зрения практики радиосвязи — это чрезвычайно вредное явление, с последствиями которого надо беспощадно бороться. Действительно, при радиотелеграфной передаче замирания приводят к пропаданию отдельных знаков и даже слов, «смазыванию» изображений и тому подобным искажениям информации.

 

Казимировский Э. С.

Оцените статью
АстроЭра
Добавить комментарий