Хоча від любителів потрібно тільки побіжне знайомство з фізикою іоносфери, більш детальне уявлення про неї може значно збільшити задоволення від їх хобі.
Радіозв'язок через іоносферу - захоплююче і важливий засіб встановлення зв'язків на великі відстані. Тисячі любителів і комерційних операторів кожен день використовують іоносферу для встановлення контактів на великих територіях. Однак щоб повністю використовувати можливості цього способу поширення, ми повинні розуміти ту фізику, яка ховається за цією магією. Знання того, коли потрібно прослуховувати, яку частоту краще використовувати і звідки можна очікувати приходу сигналу, дозволяє досвідченому DX'epy працювати з далекими станціями. Безсумнівно, знання фізики поширення і "почуття" умов, що існують у кожній діапазоні - дуже цінна якість будь-якого радіооператора.
Перш ніж розглядати процес відображення сигналу від іоносфери, необхідно сказати кілька слів про те, де це відображення відбувається і як формується зона відображення.
Всю атмосферу можна розділити на кілька різних верств з різними властивостями. Найбільш часто використовувані найменування цих шарів наведені на рис.1. З нього видно, що тропосфера - це найближча до Землі частина атмосфери, що тягнеться у висоту на відстань близько 10 км. На висотах між 10 і 50 км. ми знаходимо стратосферу, в якій розташований горезвісний озоновий шар (на висоті близько 20 км.).
У разі KB-зв'язків найбільш важливу роль грає іоносфера, в той час як тропосфера грає ключову роль в зв'язках на ДВЧ і УВЧ. Іоносфера охоплює кілька метеорологічних шарів і простягається по висоті приблизно від 50 до 650 км.
Своє ім'я іоносфера отримала тому, що в цій області атмосфери є іони. У більшій частині атмосфери молекули існують в зв'язаному стані і залишаються електрично нейтральними. В іоносфері ж сонячне випромінювання (в основному, ультрафіолетова область) настільки інтенсивно, що, потрапляючи на молекули, воно їх розщеплює (іонізує), і електрони виявляються вільними. В результаті виходить позитивний іон ( "недолічувалася" електрона молекула) і вільний електрон. І хоча назва цієї області атмосфери дали іони, основний вплив на поширення радіохвиль надають, в дійсності, електрони.
Число вільних електронів (рис.2) починає наростати з висоти приблизно 30 км. проте щільність електронів стає достатньою для того, щоб впливати на радіохвилі, тільки починаючи з висоти близько 60 км. Ми часто уявляємо собі іоносферу складається з декількох різних шарів. І хоча це зручно для пояснення деяких явищ, це все-таки не зовсім точно, оскільки іонізовані молекули (і вільні електрони) є у всій іоносфері. Насправді шари найкраще представляти як максимуми рівня іонізації.
Щоб мати можливість швидко вказувати на окремі шари, піки або області, ми їх позначаємо буквами D, Е і F (є ще й шар С, проте рівень іонізації в ньому так низький, що він не впливає на радіохвилі).
Найнижче розташований шар D - на висоті між 50 і 80 км. Він існує протягом дня, коли на нього падає випромінювання Сонця. Оскільки щільність повітря на таких висотах ще досить велика, іони і електрони рекомбінують тут відносно швидко. Після заходу Сонця, коли сонячне випромінювання блокується Землею, рівень вільних електронів швидко падає, і шар D, по суті справи, зникає. Наступний шар, що лежить вище шару D, називається шаром Е. Його можна виявити на висотах між 100 і 125 км. Оскільки і тут електрони і іони рекомбінують досить швидко, після заходу Сонця рівень іонізації швидко падає. І хоча при цьому деякий залишковий рівень іонізації залишається, фактично, вночі шар Е зникає. Для далеких зв'язків найбільш важливу роль відіграє шар F. Протягом дня він часто розпадається на два субслоя, які ми позначаємо як F1 і F2 (рис.3). Вночі обидва шару знову зливаються в один шар F. Висота шару F сильно варіюється і залежить від часу доби, сезону і стану Сонця. Влітку шар F1 може розташовуватися на висоті 300 км. а шар F2 - на висоті 400 км. або вище. Взимку ці цифри можуть бути, відповідно, 100 км. і 200 км. Вночі шар F розташовується, як правило, на висотах 250 - 300 км. Однак всі ці цифри дуже відносні, і їх потрібно розглядати тільки як оціночні. Як і в шарах D і F, рівень іонізації в шарі F падає вночі. Однак оскільки цей шар розташовується набагато вище, і щільність повітря в ньому набагато менше, рекомбінація відбувається тут набагато повільніше. Так як іонізація зберігається всю ніч, цей шар може впливати на поширення радіосигналів.
Сонце і іоносфера
Навряд чи несподівано, що сонячна активність впливає на іоносферу. Головним фактором є число видимих сонячних плям. Плями виглядають як темні (відносно) зони, які можна бачити, якщо спроектувати зображення Сонця на екран або шматок паперу. Вони впливають на іоносферу з тієї причини, що зони навколо них випромінюють велика кількість ультрафіолетового випромінювання - основного фактора іонізації.
Число сонячних плям змінюється з 11-річним періодом (хоча це і досить наближена закономірність). А це означає, що і іоносферні умови (а значить, і поширення радіохвиль) змінюються синхронно з цим циклом. У нижній точці циклу в діапазонах ВЧ вище приблизно 20 МГц іоносферне поширення може і не виникнути. Поблизу піку 11-річної активності, можуть бути активними частоти від 50 МГц і вище.
Поверхнева і повітряна хвилі
Сигнали в діапазонах середніх і коротких хвиль поширюються двома основними способами - поверхневої і просторової хвилями.
Поверхнева хвиля виникає, коли сигнал поширюється від передавача в усіх напрямках. Замість того щоб поширюватися по прямій лінії (і не бути чутним за межами видимого горизонту), радіосигнал прагне слідувати кривизні Землі (рис.4). Це відбувається внаслідок того, що в земної поверхні індукуються струми, які уповільнюють хвильовий фронт поблизу поверхні. В результаті цього хвильової сигнал нахиляється донизу, що дає йому можливість слідувати кривизні Землі і поширюватися за горизонт.
За деякими винятками, зв'язок за допомогою поверхневої хвилі зазвичай використовується для сигналів з частотами нижче 2 ... 3 МГц. На більш високих частотах вона не використовується внаслідок зростання загасання з частотою; в результаті, зв'язок стає ненадійною. Це добре демонструє той факт, що радіомовні коротко-хвильові станції, що використовують поверхневу хвилю, чутні тільки на коротких відстанях. У той же час середньохвильові станції чутні на набагато більших відстанях - типова потужна радіомовна станція AM охоплює зону в сотню миль, а то і більше. На повну зону охоплення впливають багато факторів, включаючи потужність передавача, тип антени і характер поверхні, над якою поширюються сигнали.
Сигнали можуть також відриватися від земної поверхні і поширюватися у напрямку до іоносфері. Як ми побачимо нижче, деякі з них повертаються назад до землі.
Перший шар, який зустрічається на шляху сигналу - це шар D. Він діє як атенюатор, особливо на низьких частотах, оскільки загасання змінюється обернено пропорційно квадрату частоти. Це означає, що при подвоєнні частоти рівень загасання зменшується в чотири рази. Саме тому прагнуть перешкоджатиме потраплянню низькочастотних сигналів на більш високі шари, за винятком нічного часу, коли шар D зникає.
Загасання сигналів при проходженні через шар D обумовлено тим, що вони викликають коливання вільних електронів. Коли це відбувається, електрони зіштовхуються з молекулами, витрачаючи при цьому деякий невелику кількість енергії і діссіпіруя пропорційне йому кількість енергії радіосигналу.
Легко бачити, що рівень загасання залежить від кількості що відбуваються зіткнень. А це кількість, в свою чергу, залежить від багатьох інших факторів. Одним з найбільш очевидних є число наявних молекул газу. Більша кількість молекул газу означає більше зіткнень і зростання загасання.
Важливі також рівень іонізації і частота радіосигналу. З ростом частоти довжина хвилі зменшується, і число зіткнень між вільними електронами і молекулами газу зменшується. Тому низькочастотні сигнали загасають набагато сильніше високочастотних.
Шари Е і F
Коли сигнал потрапляє в шари Е і F, він викликає в них, як і в шарі D, коливання вільних електронів. Однак тут щільність повітря набагато нижче, і зіткнень набагато менше. Тому тут втрачається набагато менше енергії, і ці шари впливають на радіосигнали зовсім іншим способом. Менше стикаючись з молекулами газу і менше втрачаючи енергію, електрони її переизлучают. Оскільки сигнал поширюється в зону з наростаючою щільністю електронів, то чим далі проникає в шар сигнал, тим більше він заломлюється від зони з високою щільністю до зони з низькою щільністю. На ВЧ цього заломлення часто досить для того щоб направити сигнал назад до Землі. В результаті все виглядає так, ніби шар "відбивав" сигнал. Ці "відображення" залежать від частоти радіосигналу і його кута падіння. З ростом частоти величина заломлення зменшується, і нарешті, досягається частота, для якої сигнали проходять через шар і досягають наступного. Зрештою, досягається така частота, коли сигнали проходять через всі шари і йдуть в космічний простір (рис.5).
зміни частоти
кілька стрибків
Хоча при відображенні від шарів Е і F перекриваються значні відстані, це не пояснює, яким чином сигнал може доходити на другу половину земної кулі. Охоплює весь світ поширення вимагає декількох відображень. Земна повер-хность діє як відбивач для повернулися до Землі від іоносфери сигналів, вона повертає їх назад до іоносфери, де вони знову відображаються до Землі (рис.7). Таким способом сигнал може поширюватися навколо всієї земної кулі (і навіть в декількох напрямках). Властивості земної поверхні мають велике значення. Пустелі - погані відбивачі, зате океани дуже ефективні. Це означає, що сигнали, відбиті від Атлантичного океану, наприклад, будуть набагато сильніше, ніж сигнали, відбиті від таких зон як пустеля Сахара. Крім втрат, викликаних відображенням від земної поверхні, сигнали відчувають загасання кожен раз, коли вони проходять через шар D. І дійсно, загасання в шарі D дуже істотно, особливо якщо згадати, що сигнали двічі проходять через шар D при кожному "подорожі" їх до шару Е або F. Крім того, що високі частоти більш зручні для використання, так як вони відбиваються від шару F2 і тому вимагають меншого числа віддзеркалень, вони ж відчувають і менше поглинання в шарі D. Це означає, що, за інших рівних умов, сигнал на частот 28 МГц, наприклад, буде сильніше сигналу частоти 14 МГц (якщо зв'язок встановлена на обох частотах).
Відстань стрибка і "мертва" зона
Відстань стрибка і "мертва" зона - дуже важливі поняття іоносферного поширення. Відстань уздовж поверхні Землі, на яке поширюється сигнал при відображенні від іоносфери, називають відстанню стрибка (рис.8). Є також область, яку називають "мертвою" зоною. Сигнали поверхневої хвилі через загасання будуть чутні тільки на певній відстані від передавача. Сигнали, що поширюються до іоносфери, не можуть відбитися раніше, ніж вони досягнуть іоносфери. При цьому вони проходять відстані, які набагато більше тих, на яких повністю зникає поверхнева хвиля. Це призводить до виникнення області, де сигнали не можуть бути почуті. Ця зона і називається "мертвою" зоною. Вона особливо яскраво виражена для високочастотних сигналів, для яких поверхнева хвиля загасає дуже швидко, а відстань стрибка може мати величину в тисячу миль або більше.
I.POOLE (G3YWX)
QST, 11/99. Переклад А. Бєльського.