Главная >  Распространение радиоволн 

[ 1 ] 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40

распространение радиоволн ионосферы

Еще в 20-х годах считалось, что радиоволны короче 200 м совершенно не пригодны для радиосвязи иа дальние расстояния из-за сильного поглощения. Однако уже к этому времени были проведены первые эксперименты по дальнему приему коротких волн (КВ) через Атлантический океан на расстояние в несколько тысяч километров. Английский физик Оливер Хевисайд и американский инженер-электрик Артур Кеннеди независимо друг от друга предположили, что где-то вокруг Земли существует ионизированный слой атмосферы, способный отражать радиоволны. Впоследствии этот ионизированный слой получил название слоя Хевисайда - Кеннеди. Сегодня мы знаем, что верхние слои атмосферы Земли (начиная с 50-80 км) окружены ионосферой, состоящей из отрицательно заряженных свободных электронов и положительно заряженных ионов, в основном молекулярного кислорода 0J и окиси азота N0+, Для радиосвязи наибольший интерес представляет область ионосферы, находящаяся на высотах от 50 до 400 км. Однако область ионизированного газа распространяется много выше, до 1000 км и далее, с постепенно убывающей концентрацией электронов и ионов.

Ионы и электроны образуются в результате ионизации, которая заключается в отрыве электрона от нейтральной молекулы газа. Для того чтобы оторвать электрон, необходимо затратить некоторую энергию - энергию ионизации, основным источником которой для ионосферы является Солнце, точнее, его ультрафиолетовое, рентгеновское и корпускулярное излучения. Пока газовая оболочка Земли освещена Солнцем, в ней непрерывно образуются все новые и новые электроны, но одновременно часть электронов, сталкиваясь с ионами, вновь образует нейтральные частицы - атомы и молекулы. После захода Солнца образование новых электронов почти прекращается и число свободных электронов убывает. Число электронов, находящихся в кубическом метре газа, называется электронной плотностью.

Электроны распределены в ионосфере неравномерно. На высотах от 50 до 400 км имеется несколько слоев (или областей), плавно переходящих одни в другой и существенно влияющих иа распространение радиоволн КВ диапазона.

Самая верхняя область повышенной электронной концентрации и, кстати, самая плотная получила название области F. Она расположена на высоте более 150 км над поверхностью Земли и играет основную отрая(;ателйН1/(о роль прн дальнем распространении КВ. Иногда в летние месяцы днем область F как бы распадается на два слоя - Fj и Fj. Слой Fj может занимать высоты от 200 до 250 км, а слой Fj как бы плавает в интервале от 300 до 400 км. Обычно слой Fj ионизирован значительно сильнее слоя Fj. Ночью слой Fj исчезает, а слой Fj продолжает оставаться, медленно теряя до 60% своей ионизации.

Ниже области F на высотах от 90 до 150 км расположена область Е. Ионизация этой области происходит под воздействием мягкого рентгеновского излучения Солнца. Обычно степень ионизации области Е ниже, чем области F. Однако все связи на расстояние до 1000... 1500 км на низкочастотных КВ диапазонах днем происходят при отражении от этой области. Ночью в области Е ионизация уменьшается на порядок, но и в это время она продолжает играть заметную роль в распространении КВ. Иногда в области Е образуются прослойки сильно повыщенной иопнзацин толщиной 2...3 км, площадь которых может изменяться от единиц до сотен квадратных километров. Этот слой повышенной ионизации, образующийся на высотах 100...ПО км, получил название спорадический слой Е и обозначается Eg. Слой Eg может перемещаться в ионосфере под действием ветров, скорость которых достигает 250 км/ч. В средних широтах летом в дневное время слой Eg за месяц бывает 15..20 дней, в экваториальных широтах он присутствует почти всегда, в высоких широтах Eg обычно появляется в ночное время. Когда ионизация слоя Eg превышает ионизацию слоя Fj, слой Eg препятствует отражению КВ от слоя Fj. Однако в этом случае благодаря отражению от Eg появляется возможность связи на высокочастотных КВ диапазонах и сверхдальнего распространения низкочастотного участка УКВ диапазона.

Самая нижняя область ионосферы -область D - расположена иа высотах между 50 и 90 км. Здесь сравнительно мало свободных электронов. От области D отражаются средние и длинные волны. Это основная область поглощения радиоволн низкочастотных КВ диапа-



зонов После захода Солнца ионизация этой области очень быстро исчезает и появляется возможность проведения дальних связей на диапазонах 160 и 80 м при отражении от слоев Fj и Е

Имеются два пути распространения радиоволн поверхностный и ионосферный При поверхностном распространении короткие волны испытывают сильное поглощение, а при ионосферном с помощью передатчиков относительно небольшой мощности (в несколько сотен, а то и десятков ватт) возможна двусторонняя связь между радиостанциями, удаленными друг от друга на тысячи километров

Как же происходит ионосферное распространение? Волна (рис 1 1), излучаемая под углом к горизонту, на своем пути к месту приема пронизывает области ионосферы D и Е и отражается от слоя Fj обратно к Земле То есть происходит не отражение волны иоинзнро ванного слоя, а как бы зеркальное переизлучение Радиоволна, проходя через ионизиро

ОВласМь F


Рис 1 1 Возможные варианты распространения радиоволн (передатчик находится

В пункте А)

АБ - поверхностная волна г - одиоскачковое отражение от области F (БЖ- мертвая зона) л - двухскачковое отражение от области F в - частота превышает отражательную способность области F 3 - волна в ионосферном волноводе между областями Вир е - двухскачковое отра

жение от области

ванную область, вызывает колебания с частотой волны свободных электронов, которые, в свою очередь, сами становятся источником излучения На возбуждение электронов расходуется энергия волны В областях Е и D, где плотность газа выше, чем в области F, энергия волны частично теряется, переходя в тепловую после соударения электронов с молекулами Таким образом, пройдя сквозь области D и Е ионосферы и отразившись от области F, волны возвращаются к Земле, вновь проходя через области Е и D Расстояние по земной поверхнос сти между пунктами А и Ж называется скачком Максимальная длина скачка может достигать 3500 км или чуть больше в случае применения передающей антенны, излучающей под малыми углами к горизонту

При последовательном отражении от ионосферы и от поверхности Земли или воды КВ могут распространяться и иа расстояние, превышающее один скачок В этом случае имеет мес то так называемое многоскачковое распространение Оно позволяет перекрывать расстояния во много тысяч километров Основная трудность такой многоскачковой связи состоит в существенном поглощении волны при многократном прохождении через области D и Е В области F волна также поглощается, ио значительно меньше Практически многоскачко-вая связь возможна только через ночную сторону Земли Однако иногда иа дневной стороне не создаются особые условия распростраиеиия КВ, при которых волна, отразившись от слоя Fj. ие возвращается к Земле, а попадает как бы в коридор (волновод) между слоями Fj и Е В этом случае возникает рикошетное распределение, при котором возможна связь на дальние расстояния с малыми потерями Характерным примером этого вида ионосферного распространения могут служить связи советских любительских радиостанций в Антаркти-



де с Европейской частью СССР, когда связь по короткому ночному пути оказывается ме нее устойчивой, чем связь по длинному пути, проходящему по освещенной Солнцем части Земли. Радиоэхо также обусловлено образованием ионосферного волновода с очень малыми потерями энергии волны.

На высокочастотных КВ диапазонах довольно редко появляется хорошо знакомое ультракоротковолновикам тропосферное распространение. Тропосферой называется нижняя часть атмосферы Земли до высоты 8...18 км (в зависимости от широты). Состояние тропосферы характеризуется давлением, температурой и влажностью воздуха. Изменение этих параметров в зависимости от времени года, суток, метеорологических условий приводит к образованию в тропосфере неоднородностей с отличными друг от друга электрическими параметрами (главным образом диэлектрической проницаемостью). Неоднородности тропосферы в горизонтальном направлении приводят к искривлению траектории волны, т. е. к рефракции. Неоднородности тропосферы в вертикальном направлении приводят к образованию своеобразных волноводов как между слоями воздуха, так и между слоем воздуха и поверхностью Земли. На КВ тропосферное прохождение дает возможность проводить связи на расстояние до 1000 км.

1.2. СОЛНЦЕ И СОЛНЕЧНАЯ АКТИВНОСТЬ

Чтобы были понятны принципы, на которых основывается прогнозирование распространения КВ, необходимо кратко ознакомиться с физическими свойствами Солнца, с потоком энергии, постоянно излучаемым им на нашу планету, и с изменением этого потока во времени.

Солнце - это желтая звезда небольшого размера с медленным вращением и относительно небольшой температурой поверхностных слоев Солнце представляет собой водородную звезду. По современным представлениям около 90% по числу атомов составляет водород, 10% -- гелий и менее 0,1% - другие элементы. Радиус Солнца в 100 с небольшим раз больше радиуса Земли. Солнце вращается вокруг своей оси в том же направлении, что и Земля. Период вращения изменяется от 27 земных суток на экваторе и до 32 суток у полюсов. Линейна скорость точки, находящейся на экваторе, равна примерно 2 км/ч, однако ближе к полюсам вращения эта скорость уменьшается. Это так называемое дифференциальное вращение, обычно присущее жидким и газовым средам.

От ближайшей после Солнца звезды свет к Земле идет 4,3 года, а на весь путь от Солнца к Земле свету требуется чуть больше 8 мин. Солнце является плазменным шаром, от которого во все стороны расходятся потоки плазмы (встречаются разные названия - потоки частиц, корпускулярные потоки). Совокупность нх называется солнечным ветром, и поэтому вся .Земля как бы находится в объятиях Солнца. Скорость невозмущенного (спокойного) солнечного ветра 300...600 км/с, так что путь частиц до Земли занимает трое-четверо суток.

Воздействие Солнца на физические процессы, происходящие вблизи Земли и иа ее поверхности, осуществляется различными видами электромагнитного излучения и потоком корпускул, несущих с собой и магнитное поле.

Основное излучение спокойного Солнца - белый свет. Он несет на Землю 1,36 киловатта энергии в минуту на квадратный метр поверхности (вне атмосферы Земли перпендикулярно лучам Солнца). Излучаемая им энергия в радиоднапазоие мала и сильно зависит от солнечной активности. Ультрафиолетовое и рентгеновское излучения тоже несут с собой мало энергии Они в сотни тысяч раз слабее, чем видимое излучение Солнца, однако очень важны для образования ионосферы, даже в случае спокойного Солнца. При усилении солнечной активности энергия, излучаемая в рентгеновской и ультрафиолетовой областях спектра, резко возрастает.

Солнечной активностью называется совокупность характерных образований иа Солнце- таких, как появление пятен, вспышек, факелов, флоккулов и протуберанцев в короне.

До недавнего времени активность Солнца определялась только по количеству пятен на его видимой стороне (рнс. 1.2). Подсчет активности в приведенных числах солнечных пятен производился по формуле

R(W) = К(10 g-i),

где g - число отдельных групп пятен (одиночное пятно также считается группой); 1 - суммарное число всех пятен на диске; К - множитель, подбираемый для каждого телескопа, каждой обсерватории так, чтобы число R в среднем было одинаковым у всех обсерваторий.

Впервые стали регулярно регистрировать солнечную активность в 1849 г. Цюрихской обсерватории в Швейцарии. Там же астрономом Р. Вольфом была предложена и формула для подсчета активности Солнца в приведенных числах солнечных пятен, получивших название чисел Вольфа. Однако в настоящее время более перспективным способом определения солнечной активности является измерение мощности потока радиоизлучения Солнца на длине волны 10,7 см (2800 МГц) Мощность потока хорошо согласуется с числами Вольфа вПг.ь до самых малых значений.



[ 1 ] 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40

очки защитные esab на сайте большой выбор