О "ЗАБЫТОМ" ДИАПАЗОНЕ РАДИОВОЛН

Радио 1957 №7

15 течение последних 25-30 лет внимание радиофизиков и радиоинженеров всего мира приковано к самой коротковолновой части диапазона радиоволн и, в частности, к области, расположенной между метровыми и миллиметровыми волнами. Особенно это проявляется в последние годы, когда обнаружилось, что волны этого диапазона, вопреки сложившимся ранее представлениям, распространяются далеко за пределами прямой видимости. Дальнее распространение УКВ, наряду с возможностью размещения в этом диапазоне огромного числа рабочих каналов, несомненно открывает огромные возможности сокращения существующей в настоящее время загрузки KB и СВ диапазонов.

Однако увлечение ультракороткими волнами как бы отвлекло внимание специалистов (и, кстати сказать, совершенно незаслуженно) от ультрадлинных волн (УДВ), к которым относят волны длиной В тысячи и десятки и даже сотни тысяч метров.

Важнейшей особенностью этого диапазона является исключительное постоянство напряжённости поля в точке приёма. Как известно, в точку приёма сигнал всегда приходит несколькими путями, или, как принято говорить, несколькими лучами.

Эти лучи могут образоваться при однократном и многократных отражениях от плоских отражающих слоев, а в некоторых случаях и от отдельных неоднородностей в отражающем слое. При изменениях высоты отражающего слоя или форм неоднородностей ионосферы фазы отдельных лучей будут изменяться, и это приведёт к резким колебаниям (флюктуациям) результирующей напряжённости поля.

Это явление, получившее название замираний, или федингов, наблюдается на коротких волнах в любое время дня и ночи, а на средних волнах, в основном, в ночное время.

Что же касается волк порядка нескольких десятков километров и более, то изменения в ионосфере оказываются недостаточными, чтобы заметно изменить фазу отдельных лучей. Неоднородности же таких размеров, которые могли бы как-либо повлиять на распространение столь длинных волн, встретить в ионосфере почти невозможно. Кроме того, всякого рода ионосферные возмущения, нарушающие радиосвязи в других диапазонах, также практически не влияют на распространение сверхдлинных радиоволн.

Следует отметить также и то, что эти волны отражаются от слоев с очень низкой концентрацией ионизированных частиц и поэтому отражение их будет происходить от самой нижней части самого низкого, существующего в данный момент ионизированного слоя, т. е. днём от слоя D (высота 60-70 км), а ночью от слоя Е (высота 100-110 км).

Таким образом, волны длиной 30-100 км распространяются между двумя проводящими поверхностями, расстояние между которыми соизмеримо с длиной волны. Это определяет особый характер распространения, известный под названием волноводного. При этом, как и во всяком волноводе, можно отметить волны оптимальные, т. е. распространяющиеся с наименьшим затуханием, и волны критические, т. е. волны, практически не распространяющиеся при данных размерах волновода. В условиях нашей планеты к последним относятся волны длиной порядка 100 км (частоты 3,0 кГц), а оптимальными являются волны 25-35 км (частоты 8-12 кГц).

Для исследования условий распространения сверхдлинных радиоволн удобно пользоваться таким источником излучений, как грозовой разряд. Действительно, сама, природа предоставила нам исключительные возможности, создав антенны длиной в несколько километров в виде столбов ионизированного газа, возникающих при грозовых разрядах. Амплитуды импульсов тока, протекающего по такой «антенне», достигают тысяч и в отдельных случаях сотен тысяч ампер.

Специальные исследования, проведённые в 1952-1953 гг., показали, что в большинстве случаев разряд молнии вызывает очень своеобразные по форме электромагнитные возмущения, характер которых почти всегда одинаков (рис. 1).

О спектральном составе возникающего в процессе грозового разряда импульса электромагнитных колебаний можно судить по рис. 2, где приведено несколько спектральных характеристик, полученных в результате анализа нескольких десятков характеристик, аналогичных изображённым на рис. 1. Сплошной линией на этом рисунке показана усреднённая спектральная характеристика.

От места возникновения разряда электромагнитные волны распространяются во все стороны в естественном сферическом волноводе.

В процессе распространения колебаний из спектра постепенно исчезают составляющие, частоты которых близки к критической частоте волновода, а составляющие с оптимальной частотой распространяются с наименьшим затуханием; составляющие частотного спектра с частотами, близкими к критическим, сильно запаздывают и затухают.

На расстояниях порядка сотен и тысяч километров от места разряда спектр импульса электромагнитных колебаний настолько изменится, что мы получим новое, сформированное в пространстве явление, получившее название «атмосферик». На рис. 3 показаны сфотографированные с экрана осциллографа два типичных атмосферика.

На фотографиях хорошо видны основные свойства атмосферика: колебательный характер и дисперсия, выразившиеся в растягивании периода колебаний со временем. На рис. 4 приведены спектральные характеристики ряда атмосфериков, полученные при исследовании импульсов электромагнитных волн, прошедших определённые расстояния.

Зная первичную форму импульса и наблюдая его форму на некотором расстоянии, можно установить свойства того пространства, которое соединяет излучатель и наблюдателя.

Для наблюдения за грозовыми разрядами создана специальная установка, получившая название «пеленгатор гроз». В этот пеленгатор входят два приёмника прямого усиления, настроенных на частоту порядка 7,0 кГц, так как колебания с этой частотой несут наибольшую энергию атмосфериков. Оба приёмника регулируются так, чтобы их чувствительность была совершенно одинаковой. К входу приёмников подключены две независимые рамочные антенны, причём одна из рамок направлена с севера на юг, а другая - с востока на запад. Таким образом, эти антенны как бы разлагают приходящий сигнал на две компоненты, одна из которых в конечном итоге воздействует на горизонтальные, а другая на вертикальные отклоняющие пластины электроннолучевой трубки, причём соотношение между этими составляющими зависит от направления, с которого приходит сигнал. Поэтому при появлении атмосферика на экране трубки появляется выброс, угол наклона которого соответствует углу прихода атмосферика. Вследствие послесвечения экрана выброс, существовавший на экране всего 2-3 миллисекунды, оставляет след, видимый ещё в течение двух-трёх секунд, что вполне достаточно для снятия показаний. Таким образом, пеленгатор позволяет определять направление, с которого пришёл атмосферик, и ориентировочно судить о его интенсивности. Для того чтобы можно было точно определить место возникновения грозового разряда, необходимо хотя бы в двух точках (а ещё лучше в трёх или даже четырёх) одновременно определить азимут атмосферика.

В настоящее время в ряде стран уже существуют специальные сети пеленгации гроз. Для синхронизации наблюдений на всех пунктах сети один или несколько входящих в неё пеленгаторов соединяются с ламповым реле, которое в свою очередь управляет коротковолновыми передатчиками. Этот передатчик посылает сигналы в другие пункты именно в те моменты, когда на экранах всех пеленгаторов наблюдаются отдельные выбросы. Каждый из переданных сигналов, соответствующий определённому грозовому разряду, определённым образом нумеруется. Это позволяет наблюдателям всех пунктов одновременно снять показания с пеленгаторов. Полученные показания затем передаются на центральный пост наблюдений, где все пеленги наносятся на карты. Точки пересечений пеленгов, соответствующих определённому моменту наблюдения на всех пунктах, определяют места вспышек молний.

Если одновременно с этими наблюдениями фотографировать форму атмосферика, то оказывается возможным проследить изменения его спектра в зависимости от расстояния до места грозового разряда. Все это позволяет изучать свойства пространственного волновода, условия распространения УДВ,а также состояние трудно наблюдаемых в иных условиях слоев D (днём) и Е (ночью). О важности подобных исследований можно судить хотя бы по тому, что целый ряд стран включил наблюдения за атмосфериками в программу Международного геофизического года.

Каковы же перспективы использования ультрадлинных радиоволн? Во-первых, УДВ очень удобна использовать в ряде систем дальней радионавигации. Во-вторых, в этом диапазоне можно организовать линии радиосвязи, которые будут отличаться большой протяжённостью и высокой устойчивостью.

Интереснейшая особенность УДВ состоит в том, что они довольно хорошо проникают в полупроводники и, в частности, в воду. Так, например, для частот 10-15 кГц глубина проникновения радиоволн в морскую воду может быть порядка нескольких десятков метров. К этому следует добавить, что в диапазоне 7-35 кГц может разместиться более сотни каналов телеграфа и несколько каналов трансконтинентальной и трансокеанской навигации.

В-третьих, на УДВ можно организовать службы грозового предупреждения для авиации, морского флота, железнодорожного транспорта, сельского хозяйства и т. п. Так, в частности, уже сегодня имеются системы грозового предупреждения, обслуживающие районы в радиусе до 4000 км. Объединяя несколько таких систем, можно будет осуществить наблюдения за грозовыми явлениями на всем земном шаре, включая океаны, моря, недоступные пустыни, плоскогорья и т. п.

Несомненно, что радиоинженерам, физикам и метеорологам предстоит в ближайшее время решить ряд интересных задач, связанных с реализацией всех возможностей диапазона сверхдлинных радиоволн, освоение которого практически только начинается.

В. Кашпровский