Посвящение в радиоэлектронику - Страница 29

Ионосфера.

Молекулы газов, составляющих атмосферу, там распадаются на отдельные атомы, которые под действием ионизирующего излучения немедленно теряют внешние, наиболее удаленные от ядра электроны и становятся положительно заряженными ионами. А потерянные ими электроны становятся свободными и с огромными скоростями летают в верхних слоях атмосферы, пока не столкнутся с каким-либо положительным ионом. Путь, проходимый любой частицей между двумя столкновениями, называют длиной свободного пробега. В верхних слоях, где частиц мало, длина свободного пробега может быть очень большой. Процесс воссоединения электрона с ионом называется рекомбинацией. Таким образом, содержание заряженных частиц в атмосфере определяется двумя процессами: ионизацией внешним излучением и рекомбинацией из-за соударений. Теперь становится понятным, почему ионизированных атомов и молекул почти нет у поверхности Земли: поток ионизирующего излучения здесь очень мал, поскольку он уже поглотился в верхней атмосфере, а соударения очень часты и рекомбинация ионов и электронов происходит немедленно. В верхних слоях все наоборот: поток ионизирующего излучения велик, а столкновения, приводящие к рекомбинации, относительно редки. Вот поэтому практически все атомы в самых верхних слоях ионосферы ионизированы.

Днем слой F распадается на два: F₁ и F₂. Слой расположенный ниже, обусловлен ионизацией молекулярного азота, а слой F₂ — ионизацией атомарного кислорода. Ночью слой F₁ исчезает вследствие рекомбинации пар электрон-ион, а слой F₂ сохраняется, хотя концентрация электронов в нем значительно уменьшается. На приводимом рисунке показаны примерные графики, связывающие электронную концентрацию (число электронов в единице объема) с высотой. Не следует думать, что об ионосфере Земли уже все известно. В смысле познания Вселенная неисчерпаема, и она преподносит нам все новые и новые сюрпризы. Один из таких сюрпризов положил конец увлечению сверхдлинными волнами в радиотехнике.

Концентрация электронов в ионосфере.

На свете есть неугомонные люди, отдающие очень много времени и средств любимому увлечению. Таковы радиолюбители.

Как только широкой публике стали известны опыты по передаче и приему радиосигналов, во многих крупных городах были построены служебные радиостанции, радиопередатчики стали устанавливать на морских судах, появились и радиолюбители. «Чудо» радиоволн не давало им покоя. Из подручных материалов, проявляя массу изобретательности, они строили радиоприемники и слушали, слушали таинственные шорохи и трески эфира, слабые сигналы дальних радиостанций. Попытались сделать и собственные радиопередатчики. Мимо этого факта уже не могли пройти государственные службы радиосвязи — возможны были взаимные помехи. Диапазон сверхдлинных волн, как мы уже говорили, вмещает немного каналов, и он был отведен служебным станциям, а радиолюбителям отдали диапазон коротких воли (короче 200 м), как никому не нужный. Разумеется, радиолюбители не могли строить сверхмощные передатчики — мощность в несколько ватт, подводимая к антенне, считалась вполне приличной. Устанавливались связи земной или, как ее еще называют, поверхностной волной в пределах прямой видимости, на расстояниях максимум несколько десятков километров. И вдруг… в конце 1923 года два радиолюбителя установили связь между Англией и Америкой! Сообщение об этом вызвало буквально переворот в умах специалистов. В 1924 году Г. Маркони уже настоятельно рекомендует использовать для дальней связи короткие волны. В том же году радиолюбители, работая на маломощных передатчиках, установили связь между Англией и Новой Зеландией. Но Англия и Новая Зеландия почти антиподы! Значит… значит, на коротких волнах (КВ) возможна радиосвязь с любой точкой земного шара! Вот вам и ненужные короткие волны! Теперь в реальности существования ионосферы отпали всякие сомнения ведь волны, чтобы попасть на противоположную сторону земного шара, должны были отразиться от ионизированных слоев, и не один раз!

Изменилось отношение к радиолюбителям и со стороны государственных органов. Об этом свидетельствуют официальные обращения к радиолюбителям с просьбами и предложениями о совместных экспериментах в области распространения коротких волн. Радиолюбителям выдаются специальные диапазоны частот для их экспериментов. А ионосфера продолжает преподносить все новые и новые сюрпризы. Днем связь есть, ночью ее нет, или наоборот… Да что там день или ночь — в течение нескольких часов условия прохождения КВ могут резко изменяться без всяких видимых причин. Необходимы обстоятельные исследования. И такие исследования проводятся — и теоретические, и экспериментальные.

Давайте вкратце познакомимся и с теми и с другими.

Теоретики рассчитали показатель преломления ионосферы для радиоволн — он получился меньше единицы. Напомним, что показатель преломления в вакууме равен единице, а для обычных сред он больше единицы. Кроме того, показатель преломления ионосферы оказался сильно зависящим от частоты колебаний электромагнитной волны — чем больше частота, тем он ближе к единице. Как известно, волны всегда преломляются в сторону среды с большим показателем преломления. Следовательно, и радиоволна, попадая из стратосферы в ионосферу, преломляется и направляется обратно к поверхности Земли.

Способность ионосферы отражать, а точнее говоря, преломлять радиоволны зависит и от угла падения волны на ионизированный слой. Если радиолуч послать вертикально вверх, то он может вернуться обратно, а может, пронизав ионосферу, безвозвратно исчезнуть в просторах космоса. Все зависит от частоты электромагнитных колебаний: если она ниже некоторой критической частоты, то луч возвращается, если выше — то нет. Ученые показали, что критическая частота зависит только от концентрации электронов в слое. Но критическую частоту можно измерять экспериментально, посылая к ионосфере радиосигналы. Таким образом, мы получаем новое средство исследования верхних слоев атмосферы, в частности средство для определения концентрации в них заряженных частиц.

Радиолуч, посланный наклонно, отражается ионосферой лучше. Касательные к горизонту лучи обеспечивают наибольшую дальность связи. Частота колебаний касательного луча, еще отражающегося от ионосферы, выше критической частоты в три-пять раз. Она называется максимальной применимой частотой или, сокращенно, МПЧ. Волны с частотами выше МПЧ, посланные с поверхности Земли, уже ни при каких условиях не могут вернуться обратно на Землю — недостаточно преломляясь в ионосфере, они уходят в космос.

Пути распространения радиоволн.

Пути радиоволн в ионосфере.

Максимально применимую частоту можно рассчитать, зная критическую частоту и высоту слоя.

Теоретики сказали свое слово — дело за инженерами. Для каждого слоя ионосферы желательно знать два параметра — критическую частоту и высоту над поверхностью Земли. Они очень изменчивы и зависят от времени суток, сезона, географического положения места, где производятся измерения, и от многих других причин, не все из которых и к настоящему времени достаточно хорошо изучены.

Первый эксперимент Г. Брейта и М. Туве по активному зондированию ионосферы не забыли — сейчас во всем мире постоянно действуют сотни ионосферных станций, представляющих собой КВ радиолокаторы, «стреляющие» короткими импульсами радиоволн вертикально вверх. Отраженные импульсы принимаются и регистрируются на экране электронно-лучевой трубки (подробнее о ней будет рассказано в гл. 7). Одновременно изменяется частота излучаемых импульсов. Станция устроена так, что на экране регистрируются отраженные сигналы в координатах частота-высота. Полученный график называется ионосферной характеристикой или ионограммой. По нему можно сразу определить и высоты каждого из слоев, и их критические частоты. На рисунке показаны типичные ионосферные характеристики, снятые в наших, средних широтах летом, когда Солнце высоко и интенсивность ионизации верхних слоев ионосферы велика, и зимой — при низком Солнце.