Хотя от любителей требуется только беглое знакомство с физикой ионосферы, более детальное представление о ней может значительно увеличить удовольствие от их хобби. Предлагаемый «букварь» позволит до некоторой степени заполнить пустоту и отправиться в увлекательное путешествие.

Радиосвязь через ионосферу — увлекательное и важное средство установления связей на большие расстояния. Тысячи любителей и коммерческих операторов каждый день используют ионосферу для установления контактов на обширных территориях. Однако чтобы полностью использовать возможности этого способа распространения, мы должны понимать физику, которая скрывается за этой магией. Знание того, когда нужно прослушивать, какую частоту лучше использовать и откуда можно ожидать прихода сигнала, позволяет опытному DX’мену работать с дальними станциями. Несомненно, знание физики распространения и «чувство» условий, существующих в каждом диапазоне — очень ценное качество любого радиооператора.

Атмосфера.
Прежде чем рассматривать процесс отражения сигнала от ионосферы, необходимо сказать несколько слов о том, где это отражение происходит и как формируется зона отражения. Всю атмосферу можно разделить на несколько различных слоев с разными свойствами. Наиболее часто используемые наименования этих слоев приведены на рис. 1.

На рисунке видно, что тропосфера — это ближайшая к Земле часть атмосферы, простирающаяся в высоту на расстояние около 10 км. На высотах между 10 и 50 км мы находим стратосферу, в которой расположен пресловутый озоновый слой (на высоте около 20 км).

В случае КВ-связей наиболее важную роль играет ионосфера, в то время как тропосфера играет ключевую роль в связях на ВЧ и УВЧ. Ионосфера охватывает несколько метеорологических слоев и простирается по высоте примерно от 50 до 650 км.

Ионосфера.
Свое имя ионосфера получила потому, что в этой области атмосферы имеются ионы. В большей части атмосферы молекулы существуют в связанном состоянии и остаются электрически нейтральными. В ионосфере же солнечное излучение (в основном, ультрафиолетовая область) настолько интенсивно, что, попадая на молекулы, оно их расщепляет (ионизирует), и электроны оказываются свободными. В результате получается положительный ион («недосчитывающаяся» электрона молекула) и свободный электрон. И хотя название этой области атмосферы дали ионы, основное влияние на распространение радиоволн оказывают, в действительности, электроны.

Число свободных электронов (рис. 2) начинает нарастать с высоты примерно 30 км, однако плотность электронов становится достаточной для того, чтобы влиять на радиоволны, только начиная с высоты около 60 км.

Мы часто представляем себе ионосферу состоящей из нескольких различных слоев. И хотя это удобно для объяснения некоторых явлений, это все же не совсем точно, поскольку ионизированные молекулы (и свободные электроны) имеются во всей ионосфере В действительности слои лучше всего представлять как максимумы уровня ионизации.

Чтобы иметь возможность быстро указывать на отдельные слои, пики или области, мы их обозначаем буквами D, Е и F (имеется еще и слой С, однако уровень ионизации в нем так низок, что он не влияет на радиоволны).

Слои.
Ниже всего расположен слой D — на высоте между 50 и 80 км. Этот слой существует в течение дня, когда на него падает излучение Солнца. Поскольку плотность воздуха на таких высотах еще достаточно велика, ионы и электроны рекомбинируют здесь относительно быстро. После захода Солнца, когда солнечное излучение блокируется Землей, уровень свободных электронов быстро падает, и слой D, по сути дела, исчезает.

Следующий слой, лежащий выше слоя D, называется слоем Е. Его можно обнаружить на высотах между 100 и 125 км. Поскольку и здесь электроны и ионы рекомбинируют достаточно быстро, после захода Солнца уровень ионизации быстро падает. И хотя при этом некоторый остаточный уровень ионизации остается, фактически, ночью слой Е исчезает.

Для дальних связей наиболее важную роль играет слой F. В течение дня он часто распадается на два субслоя, которые мы обозначаем как F1 и F2 (рис. 3).

Ночью оба слоя снова сливаются в один слой F. Высота слоя F сильно варьируется и зависит от времени суток, сезона и состояния Солнца. Летом слой F1 может располагаться на высоте 300 км, а слой F2 — на высоте 400 км или выше. Зимой эти цифры могут быть, соответственно, 100 км и 200 км. Ночью слой F располагается, как правило, на высотах 250-300 км. Однако все эти цифры очень относительны, и их нужно рассматривать только как оценочные. Как и в слоях D и F, уровень ионизации в слое F падает ночью. Однако поскольку этот слой располагается гораздо выше, и плотность воздуха в нем гораздо меньше, рекомбинация происходит здесь гораздо медленнее. Так как ионизация сохраняется всю ночь, этот слой может оказывать влияние на распространение радиосигналов.

Солнце и ионосфера.
Вряд ли неожиданно, что солнечная активность влияет на ионосферу. Главным фактором является число видимых солнечных пятен. Пятна выглядят как темные (относительно) зоны, которые можно видеть, если спроектировать изображение Солнца на экран или кусок бумаги. Они влияют на ионосферу по той причине, что зоны вокруг них излучают большое количество ультрафиолетового излучения — основного фактора ионизации. (Никогда не смотрите прямо на Солнце, даже через затемненное стекло! Вы можете нанести ущерб своему зрению!)

Число солнечных пятен меняется с 11-летним периодом (хотя это и достаточно приближенная закономерность). А это означает, что и ионосферные условия (а значит, и распространение радиоволн) меняются синхронно с этим циклом. В нижней точке цикла в диапазонах ВЧ выше примерно 20 МГц ионосферное распространение может и не возникнуть. Вблизи пика 11-летней активности могут быть активными частоты от 50 МГц и выше.

Поверхностная и воздушная волны.
Сигналы в диапазонах средних и коротких волн распространяются двумя основными способами — поверхностной и пространственной волнами.

Поверхностная волна возникает, когда сигнал распространяется от передатчика по всем направлениям. Вместо того чтобы распространяться по прямой линии (и не быть слышимым за пределами видимого горизонта), радиосигнал стремится следовать кривизне Земли (рис 4).

Это явление происходит вследствие того что в земной поверхности индуцируются токи, которые замедляют волновой фронт вблизи поверхности. В результате этого волновой сигнал наклоняется книзу, что дает ему возможность следовать кривизне Земли и распространяться за горизонт.

За некоторыми исключениями, связь с помощью поверхностной волны обычно используется для сигналов с частотами ниже 2-3 МГц. На более высоких частотах она не используется вследствие роста затухания с частотой; в результате, связь становится ненадежной. Это хорошо демонстрирует тот факт что радиовещательные коротковолновые станции, использующие поверхностную волну, слышны только на коротких расстояниях. В то же время средневолновые станции слышны на гораздо больших расстояниях — типичная мощная радиовещательная станция АМ охватывает зону в сотню миль, а то и больше. На полную зону охвата влияют многие факторы, включая мощность передатчика, тип антенны и характер поверхности, над которой распространяются сигналы.

Сигналы могут также отрываться от земной поверхности и распространяться по направлению к ионосфере. Как мы увидим ниже, некоторые из них возвращаются назад к земле.

Слой D.
Первый слой, который встречается на пути сигнала — это слой D. Он действует как аттенюатор, особенно на низких частотах, поскольку затухание изменяется обратно пропорционально квадрату частоты. Это означает, что при удвоении частоты уровень затухания уменьшается в четыре раза. Именно поэтому стремятся препятствовать попаданию низкочастотных сигналов на более высокие слои, за исключением ночного времени, когда слой D исчезает.

Затухание сигналов при прохождении через слой D обусловлено тем, что они вызывают колебания свободных электронов. Когда это происходит, электроны сталкиваются с молекулами, расходуя при этом некоторое небольшое количество энергии и диссипируя пропорциональное ему количество энергии радиосигнала.

Легко видеть, что уровень затухания зависит от количества происходящих столкновений. А это количество, в свою очередь, зависит от многих других факторов. Одним из наиболее очевидных является число имеющихся молекул газа. Большее количество молекул газа означает больше столкновений и рост затухания.

Важны также уровень ионизации и частота радиосигнала. С ростом частоты длина волны убывает, и число столкновений между свободными электронами и молекулами газа убывает. Поэтому низкочастотные сигналы затухают гораздо сильнее высокочастотных.

Слои Е и F.
Когда сигнал попадает в слои Е и F, он вызывает в них, как и в слое D, колебания свободных электронов Однако здесь плотность воздуха гораздо ниже, и столкновений гораздо меньше. Поэтому здесь теряется гораздо меньше энергии, и эти слои влияют на радиосигналы совершенно другим способом Меньше сталкиваясь с молекулами газа и меньше теряя энергию, электроны ее переизлучают. Поскольку сигнал распространяется в зону с нарастающей плотностью электронов, то чем дальше проникает в слой сигнал, тем больше он преломляется от зоны с высокой плотностью к зоне с низкой плотностью. На ВЧ этого преломления часто достаточно для того чтобы направить сигнал обратно к Земле. В результате все выглядит так, как если бы слой «отражал» сигнал. Эти «отражения» зависят от частоты радиосигнала и его угла падения. С ростом частоты величина преломления убывает, и наконец достигается частота, для которой сигналы проходят через слой и достигают следующего. В конце концов достигается такая частота, когда сигналы проходят через все слои и уходят в космическое пространство (рис. 5).

Изменения частоты.
В течение дня сигналы средних волн распространяются только посредством поверхностной волны, поскольку слой D поглощает сигналы, достигающие ионосферы. С ростом частоты затухание убывает, вплоть до уровня, когда сигналы проходят через слой D и достигают слоя Е. Здесь сигналы отражаются и, проходя еще раз через слой D, возвращаются к Земле на значительном расстоянии от передатчика.

С дальнейшим ростом частоты отражение от слоя Е становится все менее эффективным. И, наконец, сигналы достигают слоя F1, где они могут отразиться обратно и, пройдя через слои Е и D, снова достичь Земли. Поскольку слой F1 расположен выше слоя Е, расстояния, проходимые сигналами, отраженными от слоя F, будут гораздо больше.

Если частота возрастает еще больше, сигналы в конце концов пройдут через слой F1 до слоя F2. Поскольку это — самый высокий из отражающих слоев, расстояние, перекрываемое сигналами, отраженными от него, будет наибольшим. Максимальное «скачковое» расстояние для слоя Е примерно равно 2000 км. Для слоя F2 оно возрастает примерно до 4000 км — выигрыш значителен (выше рис. 6).

Несколько скачков.
Хотя при отражении от слоев Е и F перекрываются значительные расстояния, это не объясняет, каким образом сигнал может доходить на вторую половину земного шара. Охватывающее весь мир распространение требует нескольких отражений. Земная поверхность действует как отражатель для вернувшихся к Земле от ионосферы сигналов, она возвращает их обратно к ионосфере, где они снова отражаются к Земле (выше рис. 7).

Таким способом сигнал может распространяться вокруг всего земного шара (и даже в нескольких направлениях). Свойства земной поверхности имеют большое значение. Пустыни — плохие отражатели, зато океаны очень эффективны. Это означает, что сигналы, отраженные от Атлантического океана, например, будут гораздо сильнее, чем сигналы, отраженные от таких зон как пустыня Сахара.

Кроме потерь, вызванных отражением от земной поверхности, сигналы испытывают затухание каждый раз, когда они проходят через слой D. И действительно, затухание в слое D очень существенно, особенно если вспомнить, что сигналы дважды проходят через слой D при каждом «путешествии» их к слою Е или F.

Помимо того что высокие частоты более удобны для использования, так как они отражаются от слоя F2 и поэтому требуют меньшего числа отражений, они же испытывают и меньшее поглощение в слое D. Это означает, что, при прочих равных условиях, сигнал на частоте 28 МГц, например, будет сильнее сигнала частоты 14 МГц (если связь установлена на обеих частотах).

Расстояние скачка и «мертвая» зона.
Расстояние скачка и «мертвая» зона — очень важные понятия ионосферного распространения. Расстояние вдоль поверхности Земли, на которое распространяется сигнал при отражении от ионосферы, называют расстоянием скачка ( выше рис. 8).

Имеется также область, которую называют «мертвой» зоной. Сигналы поверхностной волны из-за затухания будут слышны только на определенном расстоянии от передатчика. Сигналы, распространяющиеся к ионосфере, не могут отразиться раньше, чем они достигнут ионосферы. При этом они проходят расстояния, которые гораздо больше тех, на которых полностью исчезает поверхностная волна. Это приводит к возникновению области, где сигналы не могут быть услышаны. Эта зона и называется «мертвой» зоной. Она особенно ярко выражена для высокочастотных сигналов, для которых поверхностная волна затухает очень быстро, а расстояние скачка может иметь величину в тысячу миль или больше.

Для любителей понимание закономерностей распространения волн очень важно, и оно очаровывает. Однако чем больше вы начинаете понимать, тем более интересным это становится.

G3YWX