Прохождение на КВ диапазонах
Г. Ляпин (UA3OW), С. Бубенников (op UK3AAC)
РАДИО № 2, 1979 г.
Короткие волны считаются давно освоенными. Однако, как показывает практика, далеко не все коротковолновики достаточно хорошо разбираются в вопросах их распространения. Цель этой статьи — рассказать об особенностях прохождения на KB диапазонах, о методах его прогнозирования, помочь коротковолновикам использовать специфику распространения коротких волн для проведения дальних связей.
Радиосвязь на KB обеспечивается в подавляющем большинстве случаев отражением, а точнее говоря, преломлением волны внутри какого-либо слоя ионосферы. Напомним, что ионосфера Земли представляет собой совокупность ионизированных слоев или областей (отсюда и пошло ее название), возникших под влиянием солнечной радиации и плавно пере ходящих одна в другую. В ночное время, когда отсутствует излучение Солнца, концентрация ионизированных частиц падает, что приводит к ослаблению отражающих (преломляющих) свойств ионосферы.
Степень ионизации существенно зависит от активности Солнца, которая изменяется со средним периодом 11,3 года (по данным, начиная с 1750 года). Количественная характеристика этой активности — число Вольфа (W) связано с числом пятен на видимой стороне диска светила. Сейчас идет цикл, максимум которого ожидается в 1979—1980 годах (см. рис.1). В настоящее время не имеется единого мнения относительно сроков и величины очередного максимума. Поэтому на рисунке показаны две пунктирные линии, соответствующие прогнозам, полученным различными методами.
Слои ионосферы обозначаются латинскими буквами D, Е и F.
Область F имеет максимальную электронную концентрацию и является основной отражающей областью при ионосферном распространении коротких волн, вплоть до 10 - метрового диапазона. Днем эта область как - бы расщепляется на два слоя: F1 и F2. Слой F1 обычно расположен на высоте от 150 до 250 километров, а слой F2 - от 300 до 450 километров. Ионизация в области F поддерживается в основном за счет ультрафиолетовой составляющей солнечного излучения. Иногда область F имеет диффузный характер, который приписывается электронным облакам, имеющим концентрацию, отличную от окружающей. Ночью ионизация в области F частично сохраняется. Выше области F электронная концентрация постепенно убывает.
На высотах от 100 до 150 километров находится другая область повышенной ионизации — область Е, Ионизация ее происходит главным образом от мягкого рентгеновского излучения Солнца. Ночью слой Е сохраняет часть своей ионизации, но становится в это время «пористым» и неоднородным. Степень ионизации слоя Е выше в экваториальных областях Земли, и его отражающая способность там больше, чем в средних или высоких широтах. Большой практический интерес для радио любителей представляют спорадические образования в слое. Е облаков повышенной ионизации – Еs o6paзования. (См. статью С. Бубенникова “Что такое Еs про хождение?» — «Радио», 1978. № 4. с. 13.)
Ниже области Е на высотах 50 — 60 километров расположена область D. Ионизация этой области в основном обусловлена рентгеновским излучением Солнца. Ионизация максимальна в полдень и быстро падает, когда Солнце скрывается за горизонтом. Ночью ионизация в области D полностью исчезает.
Во время сильных солнечных вспышек увеличение рентгеновского излучения Солнца вызывает резкое возрастание ионизации области D. Это приводит к так называемым внезапным ионосферным возмущениям, следствием которых является полное нарушение коротковолновой радиосвязи на освещенной половине земного шара на срок от нескольких минут до нескольких десятков минут из-за полного поглощения в области D.
Самым распространенным способом исследования ионосферы является вертикальное зондирование, которое проводится при помощи импульсного передатчика, частота которого плавно или дискретно изменяется в широких пределах. Наиболее высокая частота, отраженная от слоя при вертикальном зондировании, получила название критической частоты этого слоя (так, для слоя F2 критическая частота записывается как foF2). На каждой ионосферной станции за сеанс зондирования снимается полная высотночастотная характеристика (ВЧХ), важнейшими параметрами которой являются критические частоты и высоты слоев.
По ВЧХ определяется еще один параметр — максимально применимая частота (МПЧ) слоя. МПЧ является максимальной частотой, которая отражается от слоя при ионосферном распространении радиоволн. То расстояние, на котором сигнал передатчика может быть принят при однократном отражении от слоя, называется расстоянием скачка. Для слоя F2 это расстояние составляет максимум 3500 — 4000 км. Обычно на ионосферных станциях определяется МПЧ для скачка в 3000 км (MHЧ- 3000-F2). Все частоты выше МПЧ слоем не отражаются, а выходят за пределы ионосферы в открытый космос. МПЧ зависит от времени суток, сезона, географической широты точки отражения и солнечной активности. Она также до некоторой степени зависит от высоты отражающего слоя и от того, как низко лепесток диаграммы направленности антенны прижат к поверхности Земли. Имеется приблизительное соотношение между критическими частотами fo и МПЧ для слоя F2:
МПЧ-3000-F2 = 3,5 х foF2
В общем, МПЧ обычно выше в зимние месяцы, чем в летние. На рис. 2 на изображен суточный ход МПЧ-3000-F2 для летнего и зимнего месяцев при средней солнечной активности. Данные получены на ионосферной станции ИЗМИРАН под Москвой.
На многих станциях в различных частях мира уже длительное время ведется вертикальное зондирование ионосферы. Это дает возможность строить карты глобального распределения критических частот и МПЧ для различных слоев в зависимости от сезона и солнечной активности на несколько месяцев вперед. Набор таких карт вместе с прогнозом МПЧ ежемесячно выпускается Государственным комитетом СССР по гидрометеорологии и контролю природной среды.
На рис. 3 схематически изображено взаимное расположение ионизированных слоев F1, F2, Е, D над дневной поверхностью Земли и не которые случаи распространения радиоволн в ионосфере.
В пункте Б работает станция вертикального зондирования. Критические частоты слоев fоЕ < fоF1< fоF2< fо , Частота f > fоF2 и слоем F2 не отражается. Для простоты здесь везде употребляется термин «отражение». Но строго говоря, радиоволна не отражается, а претерпевает преломление внутри ионизированного слоя и возвращается обратно к Земле. Под действием переменного электрического поля волны свободные электроны в слое приходят в колебательное движение с частотой волны, т. е. возникает электрический ток, который своим полем как бы переизлучает волну в обратном направлении. И чем ниже степень ионизации слоя (т. е. количество свободных электронов в единице объема), тем глубже волна проникает внутрь слоя до момента своего «отражения».
Классическим видом ионосферного распространения является так называемое односкачковое распространение, когда волна, отразившись от слоя, возвращается к Земле. Минимальная длина скачка ограничена, поскольку преломление радиоволны может наблюдаться лишь при углах, больших некоторого критического. Этим объясняется существование «мертвой зоны». Протяженность «мертвой зоны» обратно пропорци ональна критической частоте слоя. На рис. 3 между пунктами В и А происходит двухскачковая связь. Волна после первого скачка отражается от Земли и приходит в пункт А только после повторного отражения от слоя F2 . В принципе, может быть и многоскачковое распространение вплоть до полного огибания Земли.
А вот сигнал, посланный из пункта В, достигает пункта Б несколько необычным путем. Отразившись от слоя F2 (на рисунке ясно видно, что частота этого сигнала ниже F2 -МПЧ, так как он не проникает глубоко в слой) сигнал в слое F1 встретился с областью повышенной ионизации и был отражен обратно к слою F2 и, только отразившись вторично от слоя F2 , достиг пункта Б. Подобным образом сигнал может распространяться между слоями, как в волноводе, на значительные расстояния. Сигнал, посланный из пункта В, частота которого больше, чем F2 –МПЧ, слоем не отразился и ушел в космос.
Сигнал, посланный из пункта Б, встретился в слое F2 с диффузностью и раздробился на отдельные лучи. Как уже было сказано выше, F2 является основным отражающим слоем при дальнем распространении коротких волн. А каждое прохождение волны через слой (D, E. F) и отражение приводит к потере энергии волны, причем чем ниже расположен слой, тем больше энергии теряет волна при прохождении через него, и чем ниже частота волны, тем больше потери энергии.
Перейдем к непосредственному рассмотрению прохождения на раз личных KB диапазонах. Диапазон 3,5 МГц является самым низко частотным из широко применяемых KB диапазонов. В принципе, отражение волн этого диапазона возможно во всех слоях ионосферы. Однако слой D сильно поглощает волны нижней части KB диапазона, включая и 80-метровые. Поэтому днем в диапазоне 3,5 МГц редко бывают слышны станции, расположенные дальше 400 — 500 км. В это время диапазон, как всем известно, используется для проведения местных связей.
После захода Солнца слой D как бы рассасывается, и волны 80-метрового диапазона могут отражаться от более высоких слоев, в первую очередь от слоя Е. Максимальная длина одного скачка для этого слоя 2000—1500 км. В этом радиусе и проводится наибольшее количество (90%) связей. Причем вполне возможно и наличие многоскачковой структуры распространения» примером тому может служить прохождение VK/ZL/JA в вечерние часы в европейской части СССР.
Ночью слой Е также исчезает, хотя гораздо медленней, чем D, и при мерно за два часа до восхода Солнца МПЧ слоя может стать меньше нижней границы диапазона, и отражения тогда уже будут происходить от слоя F, который и обеспечит в случае многоскачковой структуры наиболее дальнее прохождение.
Зимой, когда ночи становятся длиннее, ионизация нижних слоев пропадает быстрее и возможности проведения дальних связей увеличиваются.
Примерно такая же картина наблюдается и в диапазоне 7 МГц. Хотя слой D и меньше поглощает волны этого диапазона, тем не менее дальность связи (особенно около полудня) редко превышает длину одного скачка слоя Е. В отличие от диапазона 3,5 МГц, здесь уже чувствуется близость МПЧ слоя Е , что выражается в появлении «мертвой зоны». Днем она бывает невелика, а ночью из-за понижения МПЧ слоя Е она может достигать 1000 км. Под утро в диапазоне 7 МГц также возможны отражения и от слоя F.
В течение цикла солнечной активности критические частоты слоя Е изменяются мало, увеличиваясь лишь на 15—20% при переходе от минимума к максимуму, так что изменения в характере прохождения в диапазонах 3,5 МГц и 7 МГц не очень заметны.
Большой уровень помех, трудность в применении узконаправленных антенн, сильное затухание волн этих диапазонов создают большие трудности в работе коротковолновика, и поэтому каждое проведенное DX QSO приносит большое удовлетворение.
Наиболее результативным является диапазон 14 МГц. Слой D здесь уже почти не оказывает влияния, и основную роль в прохождении играют слои F и Е. Обычно средняя величина fоE невелика и меньше fоF2 , поэтому слой Е может оказывать влияние на связи в диапазоне 14 МГц лишь в районе полудня при достижении своих максимальных значений. Неслучайно прохождение на 14 МГц начинается и заканчивается появлением DX станций. Ближе к полудню начинает действовать слой Е, и в эфире появляются станции, лежащие в 1200—1500- километровой зоне. Для этого диапазона характерно наличие сравнительно большой «мертвой зоны».
Весной и летом наблюдается усиленная генерация Es-облаков с высокой МПЧ, что может быть причиной прослушивания в отдельные моменты редких (ближних) станций.
Довольно часто в диапазоне 14 МГц можно услышать слабо про ходящие, слегка искаженные дрожанием сигналы станций, находящихся в «мертвой зоне». Это следствие уже не отражения, а ионосферного рассеивания на локальных неоднородностях, образующихся на высоте слоя Е. Подобный прием возможен лишь при высоком энергетическом потенциале* станции (станций).
Примерно такая же картина наблюдается и в диапазоне 21 МГц, с той лишь разницей, что в годы минимума солнечной активности значение МПЧ верхних слоев может быть меньше нижней границы диапазона и прохождение тогда отсутствует вообще. Наличие еще большей «мертвой зоны» облегчает работу с DX станциями ввиду отсутствия помех от близлежащих станций.
Как было уже сказано, слой F расщепляется на два. Отражение от слоя F1 наблюдается исключительно днем, при этом на широтах примерно выше 50° с. ш. — только летом, на более низких — в течение всего года. Суточный ход fоF2 симметричен относительно полудня, когда fо имеет максимальное значение. В течение цикла солнечной активности возрастание fоF2 составляет не более 30%.
Поведение слоя F2 более сложно. Например, летом может быть аномальное суточное изменение fоF2 когда максимум наблюдается не только в полдень, а в утренние часы и до захода Солнца. И зимой и летом fоF2 достигает максимума за полчаса до восхода Солнца. В зимний полдень fоF2 больше, чем в июне примерно в 1,5—2 раза. Критическая частота F2 зависит от числа Вольфа (W) и может увеличиваться на 50—100%. Вот почему хорошее и устойчивое прохождение в диапазоне 28 МГц может быть только в годы максимума солнечной активности. В годы минимума активности прохождение в этом диапазоне обуславливается в основном лишь отражением от Es-облаков, особенно в летнее время. На 28 МГц возможно и отражение от полярного сияния и метеорных следов, но в радиосвязи на KB эти явления не используются.
Следует заметить, что потери энергии при работе на 10 метрах, по сравнению с другими, самые минимальные. Это обусловлено малым поглощением волн этого диапазона в нижних слоях ионосферы, что позволяет проводить дальнее связи при относительно малой мощности передатчика.
Критические частоты слоев имеют не только суточные и сезонные изме нения. Их параметры зависят также от широты. При движении к экватору критические частоты слоев Е и F1 , F2 увеличиваются. Это дает не которые преимущества в использовании высокочастотных диапазонов коротковолновикам южной части СССР.
Особо следует остановиться на вопросе о нарушение KB связи. При мощной вспышке на Солнце, либо при прохождении активной области через центральный меридиан диска, на Землю извергается мощный поток корпускулярного излучения, что может явиться причиной магнитной бури, а затем и ионосферной бури, приводящей к резкому ухудшению, а порой, и полному прекращению прохождения на KB диапазонах. В этом случае нарушение связи может быть, во-первых, в результате поглощения коротких волной так называемой полярной «шапке». Другой причиной может быть авроральное поглощение. Это обычно наблюдается тогда, когда один из корреспондентов находится в зоне полярных сияний (для СССР это UA1 и северные части UA9, UA0), или трасса радиосвязи проходит через эту зону. Нарушение здесь может быть в 40% случаев.
Наконец, третья причина — изменение параметров слоев D, E, F2. Это явление наблюдается обычно в темное время суток и охватывает не только полярные районы, но и всю Землю. При этом fo F2 может иногда увеличиваться (обычно у экватора) и чаще уменьшаться (в средних и высоких широтах). В это время за счет проникновения частиц из космоса наблюдается повышение fo слоев Е, и особенно D, что может вызвать полную «экранизацию» слоя F2 . Такое явление обычно продолжается в течение 1—5 суток с начала бури.
Интересно, что перед бурей часто наблюдается увеличение МПЧ до 50 МГц и выше. В течение этого периода возможна связь на 28 МГц при двух-, трехскачковом отражении от слоя F2 и даже дальний прием телевидения.
Государственным комитетом СССР по гидрометеорологии и контролю природной среды выпускается месячный прогноз МПЧ. по которому можно определить рабочие частоты на ближайшие месяцы для трасс радиосвязи с конкретными географическими координатами. Прогноз рабочих частот обычно имеет форму графика суточного хода МПЧ и справедлив только для спокойного состояния ионосферы. На основании его подготавливается прогноз для любительских диапазонов, который ежемесячно публикуется на страницах журнала «Радио».
Другой вид прогноза связан с регулярно повторяющимися возмущениями в ионосфере, причиной которых является появление на диске Солнца активных областей. Продолжительность «жизни» такой активной области может составлять два-три месяца. А так как оборот Солнца равен 27,3 суток, то возможно предсказание повторяемости магнитных возмущений через каждые 27 дней. Патруль Солнца на солнечных обсерваториях дает возможность получать информацию о развития активных областей и их положении на диске светила. На основе этой информации прогнозируются дни магнитных бурь, частота появления Es. поглощение в слое D и другие явления на месяц вперед. В начале текущего месяца на основе этих данных в газете «Советский патриот» сообщаются дни, когда спокойное состояние ионосферы может быть нарушено.
* В понятие энергетический потенциал входит мощность передатчика, чувствительность приемника и коэффициенты усилений приемной и передающей антенн.
ЛИТЕРАТУРА
- Римбет Г., Гарриот О. Введение в физику ионосферы. Л., Гидрометеоиздат, 1975.
- Витинскии Ю, И. Цикличность к прогнозы солнечной активности. Л., «Наука». 1973.
- Иванов-Холодный Г. С.. Никольский Г. М. Солнце и ионосфера. М. «Наука», 1969.
- Долуханов М. П. Распространении радиоволн. М.. «Знание», 1972.