Радиоволны в атмосфере
Путь от передающей антенны к приемной радиоволны совершают в атмосфере
Земли. Атмосфера довольно капризна. Движение облаков, дожди и снегопады,
грозы и штормы, изменения, происходящие в атмосфере при переходе от дня
к ночи и от лета к зиме, и другие атмосферные явления влияют на распространение
радиоволн. Изучение распространения радиоволн - важный раздел радиофизики.
Для радиофизика наибольший интерес представляют тропосфера, т.
е. нижний слой атмосферы (высота верхней границы тропосферы 8-12 км), и
ионосфера (расположена между высотами 80 и 800 км) -область, где
атмосферные газы частично ионизованы действием солнечного излучения.
Рис. 15. Строение ионосферы и ее воздействие на радиоволны различных
диапазонов.
Ионосфера изменчива, она состоит из нескольких слоев, обозначаемых буквами
D, Е, F1 и F2 (рис. 15), причем нижний
слой D существует только днем, пока светит Солнце. Меняется в зависимости
от времени суток и степень ионизации (т. е. концентрация заряженных
частиц - электронов и ионов) других слоев ионосферы. Поэтому и условия
радиосвязи днем и ночью различны. Например, короткие волны делятся на "ночные"
и "дневные". Ночью связь на большие расстояния в коротковолновом диапазоне
легче установить на волнах от 50 до 100 м, а днем - от 10 до 50 м.
Состояние ионосферы зависит не только от времени суток, но и от времени
года, географического положения, активности Солнца... В разных точках земного
шара работают специальные станции, которые следят за ионосферой. По данным
этих станций можно предсказать состояние ионосферы и составить прогноз
распространения радиоволн на несколько месяцев вперед. Такие прогнозы издаются
в нашей стране и в других странах и помогают выбрать наилучшие условия
для радиосвязи.
Длинные волны хорошо отражаются от Земли и нижнего слоя ионосферы, которые
являются для волн этого диапазона как бы двумя стенками волновода. По волноводу
Земля - ионосфера длинные волны могут распространяться на расстояния в
несколько тысяч километров.
Длинноволновые радиостанции работают на длинах волн, не превышающих
20—25 км. Однако в природе есть источник сверхдлинных волн — до 35—100
км и более. Этот источник — разряды молний. Возбуждаемые молниями радиосигналы
называются атмосфериками. В любой точке земного шара можно в любую
минуту зарегистрировать несколько таких сигналов. Изучение атмосфериков
дает дополнительные сведения о свойствах ионосферы.
Средние волны днем сильно поглощаются нижним слоем D ионосферы
и могут распространяться только вдоль земной поверхности, огибая земной
шар за счет дифракции. После захода Солнца слой D исчезает, а следующий
слой Е ионосферы отражает средние волны, поэтому ночью к прямой
волне, распространяющейся вдоль поверхности Земли, добавляются волны, отраженные
от ионосферы. Благодаря отраженным волнам связь на средних волнах возможна
ночью на более далекие расстояния. Однако из-за интерференции отраженных
волн с прямой и друг с другом принимаемый сигнал временами ослабевает.
Это явление называют федингом или замиранием сигнала.
Рис. 16. Благодаря отражениям от ионосферы и от поверхности Земли
сигналы коротковолновой радиостанции могут приниматься в удаленных точках
Земли.
Связь на длинных и средних волнах довольно устойчива и мало подвержена
влиянию атмосферных помех. Но эти волны постепенно затухают по мере удаления
от передающей радиостанции, поэтому для связи на большие расстояния (более
1000 км) нужны очень мощные радиостанции. А вот на коротких волнах даже
сигнал маленькой радиолюбительской станции при благоприятных условиях можно
принять в любой точке земного шара. Короткие волны могут многократно отражаться
от ионосферы и поверхности Земли и огибать нашу планету (рис. 16). Но поскольку
короткие волны отражаются в основном от верхнего слоя ионосферы F2,
они наиболее чувствительны к всевозможным изменениям, происходящим
в ионосфере. Показанная на рисунке 15 структура ионосферы нестабильна и
под действием вспышек солнечного излучения может временно нарушаться. Это
приводит к внезапным ухудшениям условий радиосвязи на коротких волнах.
Бывает даже, что радиосвязь на коротких волнах днем полностью исчезает
на время от нескольких минут до нескольких часов.
Ультракороткие волны — короче 5—7 м. — и СВЧ волны свободно проходят
сквозь атмосферу. Именно на этих волнах осуществляется связь с космическими
кораблями. В этом же диапазоне длин волн работает и радиоастрономия, изучающая
радиоизлучение небесных тел (см. т. 2 ДЭ, ст. "Как работают астрономы").
Среди излучений небесных тел встречаются электромагнитные волны любых диапазонов
- и длинные, и СВЧ, и субмиллиметровые, и световые, и ультрафиолетовые,
и даже рентгеновские. Это обнаружено приборами, установленными на искусственных
спутниках Земли. Атмосфера же не пропускает большую часть этих волн к Земле.
В атмосфере есть всего два "окна": в области видимого света и в области
УКВ и СВЧ. Первым "окном" люди пользуются уже тысячи лет, глядя на звезды
в телескопы, подзорные трубы или просто невооруженным глазом. А вот "радиоокно"
было обнаружено лишь в XX в. благодаря применению в астрономии радиофизических
методов.
Рис. 17. Сверхдальнее распространение ультракоротких воли в приземном
слое воздуха — атмосферном волноводе.
При наземной связи УКВ и СВЧ волны распространяются в тропосфере лишь
в зоне прямой видимости, поэтому телевизионные антенны стараются поднять
как можно выше. Но иногда и эти волны могут приниматься далеко за линией
горизонта. При некоторых значениях температуры и влажности они распространяются
в приземном слое воздуха толщиной несколько сотен метров, не выходя за
пределы этого слоя, как в волноводе (рис. 17). Этот слой называют атмосферный
волновод.
Поглощение и рассеяние радиоволн каплями дождя, снежинками, облаками
и другими неоднородностями атмосферы помогают метеорологам изучать атмосферу
и предсказывать погоду.
|