О дальнем и сверхдальнем распространении коротких волн

Профессор, доктор физ.-мат. наук П. КРАСНУШКИН 

РАДИО № 3. 1982 г. 

ИОНОСФЕРА И ЕЕ СВОЙСТВА 

Дальнее распространение коротких волн (KB) вокруг Земли возможно лишь благодаря тому, что она окружена ионосферой - электронно-ионной плазмой, отражающей волны. Она начинается на высоте h_m = 50...60 км в слое С и имеет максимум электронной концентрации N_max на высотах h_m = 200...400 км в слое F (см. рис.1). Вне полярных областей все слои, кроме С*, порождены и в значительной мере контролируются коротковолновым излучением Солнца. В полярных областях оказывает влияние и корпускулярное излучение Солнца, проникающее через магнитосферу. Ионосфера имеет сложное планетарное распределение и изменяется в течение суток, сезона и 11-летнего периода солнечной активности. Кроме того, она испытывает кратко временные повышения концентрации в нижних слоях во время вспышек ультрафиолетового излучения Солнца и ионосферные бури, вызываемые всплесками корпускулярного излучения Солнца. 

В первом приближении ионосферу можно рассматривать как диэлектрик с потерями и диэлектрической проницаемостью e = 1—8*10^-5 N/f², т. е. зависящей от частоты волны f (в МГц) и концентрации электронов N (в см ^-3). 

Таким образом, KB распространяются в слоистой диэлектрической среде с коэффициентом преломления n = (e)^1/2, падающим с высотой h по мере роста N до N_max в слое F. При f_кр=9*10^-3(N_max)^1/2 на некоторой высоте, меньшей h_m,диэлектрическая проницаемость e становится отрицательной. Это означает, что луч КВ, падающий на ионосферу вертикально снизу, после полного отражения возвращается на Землю. При f>f_крлуч пробивает ионосферу и уходит в космос. На рис. 1 даны планетарные распределения f_кр F, называемой критической частоты слоя F, и его высоты h_m F , определяемые ионозондом (см., например, [1]). 

* Слой С, обнаруженный автором статьи, создается космическими лучами. 

СКАЧКОВЫЙ МЕХАНИЗМ РАСПРОСТРАНЕНИЯ KB 

Скачковый механизм распространения KB иллюстрирует рис. 2, на котором изображены рассчитанные на ЭВМ [2] траектории лучей, излученные из точки ТХ на Земле на частоте 12 МГц; слой F — дневной. Вертикальный профиль коэффициента преломления в нем показан на рис. 2, слева. Частота f_кр меньше частоты f, поэтому крутые лучи уходят в космос. Однако лучи испытывают рефракцию — постепенное изменение направления, что приводит к возвращению части лучей (не слишком круто идущих вверх!) на Землю, где они отражаются и опять уходят вверх. Совершая таким образом скачки, лучи продвигаются от ТХ к точке приема RX примерно по дуге большого круга, соединяющей точки ТХ и RX. Возможны два пути: короткий и длинный. На каждом из них сигнал KB может приходить по нескольким траекториям с различным числом скачков, т. е. разными «модами». Таким образом, KB распространяются в волноводе, где роль нижней стенки играет Земля, а верхней — слой F (иногда Е). 

Интенсивность пучка лучей ослабляется по мере удаления от ТХ из-за его расхождения, потерь и рассеяния при отражениях от Земли и слоя F и при прохождении слоев С, D и Е. Ослабление особенно велико на дневных трассах, где существуют слои С и D. Оно растет с уменьшением частоты. Существует наименьшая применимая частота (НПЧ).

Длина скачка и коэффициент отражения луча от ионосферы растут с увеличением угла падения на слой, поэтому при дальних KB связях выгодны лучи, касательные к поверхности Земли, падающие на слой F под наибольшими углами (70...75°). С другой стороны, как указано выше, потери KB полей падают с ростом частоты. Отсюда следует, что при дальних связях, осуществляемых скачковыми лучами, надо стремиться к максимальной частоте касательного к Земле луча (МЧКЛ), выше которой этот луч, пронизывая ионосферу, уходит в космос. МЧКЛ приближенно равняется 3,5 f_кр F.

Однако сделаем несколько оговорок. Во-первых, интенсивный пучок лучей, касательных к Земле, трудно излучить, и обычно дальние связи получаются на частотах меньше МЧКЛ с помощью лучей, исходящих из ТХ под углами 2...10° к горизонту, с длиной скачка 2500...4500 км. Во- вторых, на неоднородных трассах, вдоль которых меняется f_кр, оптимальная частота определяется МЧКЛ на скачке с минимальной f_кр отражающего слоя. И наконец, когда рабочая частота излучателя становится близкой к МЧКЛ, могут возникнуть мертвые зоны — участки трассы. «неосвещенные» лучами, вышедшими из ТХ. Одна из них, окружающая точку ТХ, показана на рис. 2. Ее границей (на рисунке) является окружность, проходящая через точку М, в которой сливаются траектории верхнего и нижнего лучей (отмечены буквами В и Н), приходящих в любую точку приема за пределами мертвой зоны по разным траекториям. На частотах, меньших f_кр, мертвой зоны нет, ее радиус R равен 0. R монотонно растет с частотой, и максимальная применимая частота (МПЧ) для данной дальности D равна частоте, при которой RX оказывается на границе мертвой зоны. Очевидно, что МПЧ всегда меньше МЧКЛ, 

В мертвой зоне прием возможен лишь из-за рассеяния или поверхностной волны. При этом весьма эффективно обратное рассеяние от участков поверхности Земли или от областей ионосферы (например, от авроральной зоны), находящихся за пределами мертвой зоны. Мертвые зоны возникают и после второго и третьего скачков при работе вблизи МЧКЛ. Прижатие к Земле диаграммы направленности приемных антенн вредно, так как сигналы КВ. излученные из ТХ узким пучком под небольшим углом к горизонту, приходят после нескольких скачков, как показали опыты В. Унучкова (UA0TP), в интервале углов высоты 4...20°, а также с разбросом по пеленгу ±10°. 

Из-за временных и планетарных изменений h_m и f_кр слоев оптимальные частоты связи меняются в течение суток, сезона и 11- летнего периода солнечной активности. В некоторых случаях в течение суток меняют направление антенн на обратное, если длинный путь в ночное время становится более выгодным, чем короткий дневной. 

РИКОШЕТНЫЙ МЕХАНИЗМ РАСПРОСТРАНЕНИЯ KB 

Бывает, что дальняя KB связь осуществляется на частотах выше МЧКЛ или ниже НПЧ, что необъяснимо скачковым механизмом. Так. например, кругосветное KB эхо (оно было открыто Роббом в 1925 г. и впервые подробно изучено Квэком и Мегелем в 1926 г.) обычно наблюдается на частотах выше МЧКЛ на ночной стороне Земли. Для его объяснения в работе [3] были введены лучи, многократно рефрагирующие на вогнутых слоях ионосферы без промежуточных отражений от Земли, как показано на рис. 3 (ТХ1—RX1), где рефракция лучей заменена отражением от условной поверхности S. 

При частоте выше МЧКЛ существует еще одна замечательная поверхность So. Лучи, пересекающие ее (см. рис. 3), падают слишком круто на ионосферу и уходят в космос. Таким образом, между So и S образуется своеобразный волноводный канал [3] шириной d. На частоте МЧКЛ его нижняя граница совпадает с поверхностью Земли. С ростом частоты поверхность So поднимается и при некоторой максимальной частоте (обычно в диапазоне УКВ) сливается с верхней границей канала, т. е. канал исчезает. Такой канал нетрудно использовать для связи между двумя спутниками, когда связь возможна даже на УКВ. как показано в [3] и подтверждено в [4]. Если распрямить ионосферу (см. рис. 3), то лучи изогнутся и станут похожими на траектории при рикошетах плоского камешка, брошенного вдоль поверхности воды. Поэтому в [3] они названы рикошетирующими. Это явление родственно эффекту «шепчущей галереи», когда шопот человека, стоящего у вогнутой стенки, распространяется вдоль нее, как бы прилипая к ней. 

Для излучателя и приемника, находящихся на Земле, возбуждение подионосферного волновода возможно при рассеянии волн на мелкомасштабных неоднородностях (TX—RXo на рис. 3) или благодаря горизонтальным наклонам ионосферы вдоль трассы (TX—RX на рис. 3). Такие наклоны существуют в зонах восхода и захода Солнца, в областях экваториальной аномалии и главного провала ионизации, показанных на рис. 1. При кругосветном эхо, по-видимому, этот волновод возбуждается вторым способом. Это предположение было проверено в [5]. 

Интересно отметить, что ослабление KB сигнала, обошедшего Землю первый раз, равно примерно 100 дБ, а вторичные эхо ослабляются всего лишь на 3...5 дБ. Этот факт также говорит в пользу рикошетирующих траекторий, не испытывающих потерь в слоях С, D и Е и мало теряющих при отражениям от слоя F при скользящих углах падения. 

Рикошетным механизмом объясняется и другое явление, широко известное радиолюбителям. Оно состоит в повышенном прохождении KB на дальних трассах в узких интервалах времени суток, когда один из пунктов связи находится в зоне восхода Солнца, а другой — в зоне захода. Москвичи, в том числе и автор заметки [6] (ex RK-1333), еще в двадцатых годах знали, что прием станций западного побережья США весной наиболее эффективен на восходе, когда в США заход. А. Ветчинкин (ex U3CY) устанавливал в 30-е годы на диапазоне 14 МГц за 45...60 мин более сотни QSO с западом США во время восхода Солнца.

В. Каневский (UL7GW) предложил метод обнаружения окон повышенного прохождения KB по числу QSO [7]. Для этого он разделил сутки на 5 - 10-минутные интервалы (m = l, 2, 3...) и строил зависимость числа QSO в каждом интервале от номера m. При этом он обнаружил, что максимум этой зависимости для трасс Алма-Ата — восточное побережье США приходится на период, когда в Алма-Ате заход Солнца, а на другом конце трассы восход (на 3.5; 7 и 14 МГц). Чтобы исключить эффект «людности», следует нормировать число QSO к плотности станций и ввести множитель активности, зависящий от местного времени [8].

В [8] предполагается, что повышенное прохождение обусловлено возникновением в зонах восхода и захода наклонов ионосферы, подобных изображенным на рис. 3, что приводит к связи через рикошеты. Это пояснено на рис. 4, где дана карта части северного полушария в полярных координатах с центром в северном полюсе Земли N. На карте вдоль геодезической линии проложена трасса Москва — Лос- Анджелес. При определении зон восхода и захода на карту накладывают прозрачную пленку, вращающуюся вокруг N, с нанесенной на нее линией Т (терминатором), разделяющей день и ночь на Земле. 

За сутки терминатор делает полный оборот, образуя огибающую Г, которая совпадает с параллелью на широте, равной 90°—23° sin (n — 80)°, где n — номер суток с начала года. На рис. 4 показано положение огибающей в середине апреля или начале сентября. Рядом с терминатором нанесены линии равных высот h_m (км) максимума слоя F с учетом опережения восхода и задержки захода Солнца в ионосфере и экранировки ионизирующего излучения Солнца нижними слоями атмосферы до высот 100 км. На этом рисунке дано одно из возможных положений линии Т, Проходящей через зону восхода в Москве и захода в Лос- Анджелесе, при котором происходит подъем слоя F по трассе при удалении от исходных точек, т. е. образуются «взлетные» и «посадочные» площадки для рикошетирующих траекторий.

Заметим, что такая ситуация всегда возникает на трассах, проходящих через полярную ионосферу, обладающую на ночной стороне провалом ионизации (см. рис. 1 и рис. 4), где критические частоты слоев падают, а слой F поднимается До 400...500 км. Медленный подъем слоя F при приближении к нему и сам провал способствуют «рикошетной ситуации», расширяя временное окно повышенного прохождения. При этом на трансполярных трассах. благодаря рикошету, возможно проскакивание слоев С, D и Е авроральной зоны и полярной шапки, что позволяет избежать сильного и непостоянного поглощения в этих слоях. Заметим также, что из-за низких МЧКЛ в главном провале и в провале полярной шапки связь на скачковых траекториях через полярную область вряд ли возможна. 

Особый интерес вызывают вытянутые вдоль силовых линий магнитного поля Земли полярных областей плазменные трубки, вдоль которых распространяются KB, создавая эхо с задержкой 0,22 с (см. рис. 1). В этих трубках могут возникать также низкочастотные плазменные колебания и распространяться медленные плазменные волны, в которых пульсирует плотность электронов и ионов. Взаимодействуя с проходящими через полярную ионосферу KB, они могут вызывать эхоподобные явления (реверберацию), часто наблюдаемые радиолюбителями на трансполярных трассах. (См. кн. Н. А. Горохов. Особенности ионосферного распространения декаметровых волн в высоких широтах.—Л. Наука, 1980 г.). 

Часто временные окна повышенного прохождения KB бывают шире предсказываемых выше. Например, при связи с Австралией, как сообщает Л. Лабутнн (UA3CR), повышенное прохождение возникает в Москве через 2...3 часа после восхода и продолжается 2...3 часа. При этом луч KB, переходя в Австралии во время заката Солнца на «рикошет», идет на восток до восходной зоны в Атлантическом океане, где он опускается на Землю и добирается в 1—2 скачка до Москвы (см. трассу TX—RX₁ на рис. 3). Конечно, это сопряжено с потерями из-за поглощения в дневных слоях С и D. 

Авторы работы [9] K6UA, W6NLZ, K6SSS, а также ON4UN отмечают повышенное прохождение даже в случае, когда только один из концов трассы находится в зоне восхода или заката и трасса ночная. Этот эффект не столь сильный, как описанный выше, и может быть объяснен сочетанием разных механизмов распространения или же влиянием главного провала на ночной стороне. 

Отмечается также повышенное прохождение кругосветных сигналов KB на трассах, наклоненных к терминатору под углом 18...20° [10]. Авторы траекторных расчетов прохождения KB [11], которые делаются теперь на ЭВМ для общепринятых глобальных моделей ионосферы, подтверждают этот факт и показывают, что в этом случае имеются смешанные рикошетно-скачковые моды лучей (ТХ — RX₁ на рис. 3). 

Многие радиолюбители отмечают, что дальние сигналы KB иногда сильно отклоняются от дуг большого круга, объясняя это отражением KB от полярных областей во время «аврор». Однако такие изменения пеленгов возможны также из-за рефракции на горизонтальных неоднородностях ионосферы в полярной области и в районе экватора (экваториальная аномалия). При этом возникают приходы KB сигналов по нескольким трассам с различными пеленгами (рис. 1, TX—RX), что приводит к дроблению сигнала. 

Заметим, что куполообразность ионосферы в экваториальной зоне способствует появлению рикошетов на трансэкваториальных трассах в диапазонах 50 и 150 МГц.

ЛИТЕРАТУРА 

1.  Мигулин В. Как исследуют ионосферу. Радио, 1981. № 5-6. с. 33- 34. 
2. Лучевое приближение и вопросы распространения радиоволн. Сборник статей под редакцией М. Кияновского. — М., Наука, 1971. 
3. Краснушкин П. Метод нормальных волн в применении к проблеме дальних радиосвязей. — МГУ, 1947. 
4. Barker J. 1. Gross! M. D. Radio Science, 1970, т. 5. №6. с. 983. 
5. Fenwick R. Villard 0. Journ. Geoph. Research. 1963. 68. е. 5659. 
6. Краснушкин П. 0 Dx-ax. — Радио всем. 1928, № 12, с, 26. 
7. Каневский В. Сверхдальние радиосвязи. — Радио, 1974, № 7, с. 27—28. 
8. Краснушкин П. Объяснение некоторых особенностей дальних радиолюбительских связей на коротких волнах. — ДАН СССР, 1981, т. 259. №1. с. 94-96. 
9. Норре D., Dalton P., F. Capossela. The grey-line method of DXing. — CQ. 1975. сентябрь, с. 27—28. 
10. Шлионский А. Дальнее распространение радиоволн в ионосфере. — М., Наука, 1979. 
11. Свистунов К., Семеней Ю., Унучков В. Моделирование на ЭВМ распространения декаметровых радиоволн на большие расстояния. — В сб.: 13-я Всесоюзная конференция по распространению радиоволн. Горький, 1981.