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.

перейти к началу страницы