Роль ионосферы в дальней радиосвязи
Радиофронт 1941 №7
Радиопередача на большие расстояния возможна только благодаря существованию отражающих слоёв в верхней части земной атмосферы. Эти слои образуются потому, что ультрафиолетовые лучи солнечного света расщепляют некоторые из газовых молекул на положительно заряженные частицы - ионы - и на электроны. Такой (процесс называется ионизацией, а ионизированную область атмосферы обычно называют ионосферой. Радиоволны, проникая в ионосферу, преломляются и при достаточной ионизации могут возвратиться обратно на землю. На рис. 1 изображены три возможных случая доведения радиоволн в ионосфере в зависимости от степени ионизации. В случае а ионизация слаба, и волны проходят через слой, только слегка искривляя свой путь.
Рис. 1.
В случае б ионизация достаточна, чтобы волны отразились и вернулись обратно на землю, и, наконец, в случае с ионизация настолько сильна, что волны полностью поглощаются.
Рис. 2.
На рис. 2 показан путь двух радиоволн длиной в 20 и 10 метров при некоторой степени ионизации. Волны длиною в 20 метров (сплошные линии) отражаются от ионосферы и возвращаются на землю, (волны длиною 10 метров (пунктирные линии) только слегка искривляются слоем и уходят в межпланетное пространство. Все волны длиннее 20 метров будут также отражаться, а волны короче 10 метров будут проникать через ионосферу. Чем ниже передаваемая частота, тем больше вероятность отражения и чем сильнее ионизация в слое, тем более высокая частота будет ещё отражаться от неё.
ЗОНА МОЛЧАНИЯ
Существенное значение имеет угол, под которым радиоволны падают на ионизированный слой. Зона молчания возникает, когда ионизация недостаточна для отражения волн, падающих под «крутым углам, однако волны, падающие под малыми углами, при этом будут отражаться. Как показано на рис. 3, все волны, излучаемые от антенны под углом, большим некоторого критического, проходят через слой, а волны, излучаемые под меньшим углом, возвращаются на землю.
Рис. 3.
До зоны молчания сигналы слышны только в непосредственной близости от передатчика за счёт поверхностной волны.
Часто наблюдается, что луч, падающий на Землю в точке А, отражается от её поверхности, снова попадает в слой, ещё раз отражается и возвращается на Землю уже в точке В. Двух-, трёх- и многократные отражения такого рода очень часто имеют место при передаче на высоких частотах, особенно на большое расстояние. На рис. 3 видно, что сигнал может также попасть в точку В после однократного отражения. Если оба сигнала, приходящие в точку В, приблизительно одинаковы по силе, то могут возникнуть очень сильные замирания благодаря интерференции.
По ширине зоны молчания можно приблизительно судить об условиях прохождения волн различных диапазонов, слушая только в одном из них. Предположим, что в диапазоне 20 метров слышны станции, находящиеся на расстоянии всего 200 км. Это указывает на то, что при такой ионизации сигналы на волнах в 10 метров, вероятно, будут также возвращаться на землю. Правда, на этих частотах зона молчания будет, вероятно, простираться до 2000 км. Если наблюдается очень узкая мёртвая зона на волнах 20 метров, то для волн в 40 метров зона молчания отсутствует.
Когда зона молчания простирается на большое расстояние, мы слышим только дальние станции. С повышением ионизации она будет сужаться, и начнут появляться ближние станции. При этом мы начнём терять дальние станции по двум причинам. Во-первых, они будут забиваться громкими ближними станциями и, во-вторых, высокая ионизация вызывает поглощение сигналов дальних станций, которые проделывают длинный путь в ионизированных областях. Чем шире мёртвая зона и выше рабочая частота, тем более вероятна возможность дальней связи.
Так как ионизация в верхних слоях атмосферы вызывается солнечным излучением, то условия прохождения коротких волн в течение ночи и дня будут резко различными. Рассмотрим для примера изменение условии связи в течение обычных зимних суток. В ранние утренние часы перед восходом солнца ионизация очень слаба. При этом 10-метровый диапазон будет совершенно мёртв, а на 20 метрах можно услышать только единичные очень отдалённые станции. Однако для более низких частот ионизация будет достаточной для нормальной работы. Так, на волнах в 40 метров будут хорошие условия для дальней связи, хорошо проходят также и волны в 160 метрах. С восходом солнца ионизация начинает быстро повышаться и достигнет максимума после полудня. С приближением полудня (мёртвая зона будет сужаться на всех диапазонах и часа через два после восхода солнца ионизация достаточна для отражения волн 10-метрового диапазона. Около полудня 20-метровый диапазон будет заполнен сравнительно ближними станциями, а на 10 метрах в это время возможна дальняя связь. После захода солнца ионизация будет уменьшаться, так как начнётся обратное восстановление нейтральных атомов и молекул.
Зона молчания будет постепенно расширяться для каждого диапазона. Сначала прекратится приём волн 10 метров, а затем и 20 метров.
МАГНИТНЫЕ БУРИ
В некоторые дни можно наблюдать при радиоприёме, что число любительских станций в диапазоне резко сокращается по сравнению с обычными днями, все сигналы очень сильно замирают, многие постоянно слышимые станции исчезают, а появляются новые, преимущественно дальние станции, никогда ранее не принимавшиеся. Эти явления вызваны магнитными бурями, при которых магнитное поле Земли, обычно довольно устойчивое, претерпевает сильные изменения. Магнитные бури всегда сопровождаются понижением ионизации. В результате зона молчания расширяется и ночные условия распространения могут продолжаться в течение всего дня. Во время магнитной бури станции на высокочастотных диапазонах обычно исчезают много раньше, чем в нормальные дни. На 20 метрах при этом бывают хорошие условия для дальней связи около полудня, тогда как в обычные дни в эти часы можно работать только на расстояниях до 2000 км. Продолжается магнитная буря от одного до нескольких дней. Нарушения в ионосфере, происходящие в это время, вызывают значительные замирания, сопровождаемые многими искажениями.
Связь на ближние расстояния обычно нарушается и для работы приходился переходить на более длинные волны.
ОТРАЖАЮЩИЕ СЛОИ И АНОМАЛЬНАЯ ИОНИЗАЦИЯ
Ионосфера состоит обычно из нескольких ионизированных слоёв. Из них наибольшую роль при распространении радиоволн играют слои E и F. Высота слоя E над поверхностью Земли составляет около 100 км, а слоя F - 220-240 км. На эти слои совершенно не влияет погода вблизи поверхности Земли.
Слой F в дневное время распадается на два слоя F1 и F2; первый из них лежит несколько ниже второго. Слой F2 ионизируется более сильно, чем слои F1 и Е, и играет большую «роль при передаче на коротких волнах. Сигналы достаточно высокой частоты, проникнув через умеренно ионизированные слои E и F1, отражаются более сильно ионизированным слоем F2, как показано на рис. 4. Для более низких частот важен слой E, и большинство связей на 160 метрах осуществляется благодаря отражению от этого слоя.
Рис. 4.
В слое E временами встречаются области очень интенсивной ионизации, которые называются аномальным слоем Е. Аномальная ионизация слоя E может произойти в любое время, и причина её неизвестна. В случае аномальной ионизации слой E может вызвать отражение волн в 5 и 10 метрах.
Другое аномальное явление, получившее название эффекта Делинджера, состоит в полном нарушении коротковолновой связи на освещённой части земного шара. Причиной эффекта Делинджера, по-видимому, являются извержения на солнце, которые вызывают очень большое повышение ионизации в нижней части ионосферы. В результате этого короткие радиоволны поглощаются. В это время иногда бывает возможна дальняя связь на ультракоротких волнах. Эффект Делинджера может продолжаться несколько минут или даже часов.
СЕЗОННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ
Ионизация слоя F2 достигает наибольшей величины в зимнее время, причём ежедневный максимум приходится на время после полудня. Это значит, что самая узкая мёртвая зона будет после полудня зимнего дня, в это время возможна надёжная связь на очень высоких частотах, например, на волнах в 10 метров. Летом ионизация менее значительна, чем зимой, и ежедневный максимум для слоя перемещается к заходу солнца. Таким образом для волн в 10 метров летом зона молчания будет шире, и связь на этих волнах часто может оказаться невозможной. Благодаря увеличению зоны молчания летом на волнах в 20 и 40 метров можно ожидать улучшения условий для дальних связей, однако при расстояниях во много тысяч километров картина усложняется соотношением освещённых и затемнённых мест на земном шаре. При передаче через экватор летние условия могут преобладать на одном конце линии связи и зимние условия - на другом. Наилучшие условия для дальней связи бывают весной и ранней осенью. В течение весенних и летних месяцев наблюдается значительно больше случаев аномальных отражений от слоя E. Эти отражения могут в течение нескольких часов дать хорошие условия для дальней связи на 5 и 10 метров. Переход от зимних условий к летним, и наоборот, не совершается плавно. Весенние и осенние месяцы характеризуются неустойчивым состоянием ионосферы. Это особенно заметно любителям, регулярно работающим в 10-метровом диапазоне.
КРИТИЧЕСКИЕ ЧАСТОТЫ
Критической частотой называют самую высокую частоту, которая ещё отражается от данного слоя, когда сигнал падает на слой под прямым углом. Если сигнал отражается при падении под прямым углом, он будет отражаться также под всеми другими углами, и, таким образом, зона молчания на всех частотах ниже критической будет отсутствовать. Критические частоты указывают степень ионизации слоев и могут быть использованы для предсказания "радиопогоды", выбора наивыгоднейших волн для связи, подсчёта протяжённости зоны молчания и т. д. Измерения критических частот производятся на ионосферных станциях. В Советском Союзе имеется несколько таких станций, одна из них в бухте Тихой, на Земле Франца Иосифа, является самой северной ионосферной станцией в мире.
За последние 3-4 года было гораздо больше случаев дальних связей в 10 и 5-метровых диапазонах, чем раньше. Это объясняется, с одной стороны, резким возрастанием числа радиолюбителей, работающих в этих диапазонах, а с другой - эффектом 11-летнего цикла активности солнечных пятен. Ионизация атмосферы тесно связана с числом солнечных пятен; чем больше пятен наблюдается в течение года, тем больше степень ионизации. Солнечные пятна уже давно стали объектом (наблюдения астрономов, и записи их количества ведутся регулярно с 1750 г. Эти записи показывают, что число пятен обычно достигает максимума каждые 11 лет. Последний максимум был в 1939 и 1940 гг. Средний уровень ионизации за последние пять лет повышался из года в год, в результате все более высокие частоты получали возможность отражаться. Условия для связи на волнах 10 и 5 метров зимой 1940/41 г. уже несколько хуже, чем они были в 1939/40 г. В дальнейшем с каждым годом количество часов, пригодных для связи, на этих волнах будет снижаться, и в 1944 г. или 1945 г. активность на этих диапазонах дойдёт до минимума. К этому времени условия связи для 20-метрового диапазона станут похожими на те, какие наблюдались в прошлом году на 10 метрах, а 40-метровый диапазон окажется снова пригодным для дальних связей.
ДАЛЬНЯЯ СВЯЗЬ НА УКВ
Частота ультракоротких волн слишком высока для отражения от слоя F2. Если такие отражения и наблюдаются, то они бывают в течение периодов очень высокой ионизации, например, в течение максимума солнечных пятен, и происходят при передаче на большие расстояния, когда сигналы попадают в слой под очень тупым углом. Многочисленные связи в 5-т диапазоне, которые наблюдались в течение летних месяцев в США в прошлые годы, объясняются аномальной ионизацией слоя E.
Большинство этих связей имело место в вечернее время. Ионосферные измерения показывают, что летом аномальный слой Е часто образуется утром перед восходом солнца и вечером, причём его площадь иногда составляет всего несколько квадратных километров. Благодаря этому связь на укв оказывается возможной только между очень ограниченным числом пунктов. Однако, если существует одновременно много таких участков в различных местностях, условия связи на укв могут быть достаточно хорошими.
Б. Хитров