Радио, изобретенное замечательным русским ученым А. С. Поповым в 1895 г.,— одно из величайших достижений науки и техники. Области применения радио чрезвычайно обширны и разнообразны. Связь, радиовещание, телевидение, радиолокация, радионавигация — вот далеко не полный перечень областей, в которых радио нашло широкое применение. Радио является единственно возможным видом связи между движущимися объектами, поэтому оно широко применяется во флоте и в авиации.
Радиометоды широко применяются в физике, геодезии, астрономии. Недавно возник новый раздел науки — радиоастрономия, которая занимается исследованием радиоволн, приходящих из глубин Вселенной. Радиоастрономия открыла совершенно новые пути познания космических тел.
Как известно, радиоволны имеют ту же природу, что и свет, отличаясь от него только гораздо большей длиной волны. В настоящее время в радиотехнике применяются волны от 20 000 м до 1 см. В радиоастрономии используются длины волн от нескольких миллиметров до нескольких метров. Спектр радиочастот смыкается со стороны коротких волн с инфракрасными лучами.
Распространение радиоволн на большие расстояния долго не на ходило объяснения. В 1902 г. Кеннели и Хэвисайд высказали пред положение, что оно объясняется отражением радиоволн от каких-то проводящих слоев атмосферы на высоте 100 км. В 1922 г.. М. В. Шулейкин, анализируя распространение коротких волн, сделал допущение, что проводящие слои атмосферы должны находиться на вы соте 260 км.
Оба эти предположения о существовании верхних проводящих слоев атмосферы, или, как теперь говорят, ионосферы, были подтверждены экспериментально в 1925 г. путем вертикального зондирования атмосферы с помощью радиоволн. При этом обнаружилось, что в верхних слоях атмосферы имеется не один, а несколько проводящих слоев или областей, находящихся на разной высоте.
Проводимость этих слоев объясняется наличием в них большого числа заряженных частиц (ионов и свободных электронов), образующихся в результате ионизации молекул газа в атмосфере под действием главным образом ультрафиолетового излучения Солнца.
Техника зондирования ионосферы во многом напоминает технику радиолокации полярных сияний. Существенное отличие состоит в том, что при зондировании используются более низкие частоты и что оно ведется не на одной — двух фиксированных частотах, а на значительно большем числе частот — в диапазоне от нескольких сотен килогерц до нескольких десятков мегагерц. Использование такого большого числа частот дает возможность не только измерять высоту ионизированных слоев, способных отражать те или иные волны, но и определять в них распределение по высоте электронных концентраций.
Известно, что для отражения волны от слоя требуется определенная концентрация свободных электронов. Число свободных электронов в кубическом сантиметре, необходимое для отражения волны, будет пропорционально квадрату частоты и секансу угла падения волны на слой.
На рис. 48 приведены образцы высотно-частотных характеристик ионосферы, показывающие изменения высот отражений с изменением частоты волны при вертикальном излучении ее. На них отчетливо видны несколько ионизированных областей на разных высотах. Изменение высот отражения с увеличением частоты указывает на увеличение электронной концентрации с высотою. Отчетливо видны также критические частоты каждого слоя. Волны более высоких частот, чем критические, либо отражаются от более высоко лежащих слоев с большей электронной плотностью, либо проникают через слой и уходят в мировое пространство. Волны метрового диапазона являются наиболее короткими волнами, которые еще способны отражаться от ионосферы при наклонном падении.
При прохождении волны через нижние слои к более высоким и после отражения обратно к земле, она испытывает поглощение. Волны
низких частот поглощаются (ослабевают) сильнее, чем волны высоких частот. Иногда поглощение может быть таким сильным, что отраженный сигнал ослабевает настолько, что его уже невозможно принять.
Передачи на большие расстояния, в особенности на коротких волнах, осуществляются «небесными» или пространственными волнами, т. е. волнами, излучаемыми под некоторым углом к горизонту (рис. 47). Такая волна достигает ионосферы, отражается от того или иного слоя ее и снова приходит к Земле уже на значительном расстоянии от передатчика. Здесь она снова может отразиться от Земли к ионосфере, от ионосферы к Земле и так путем нескольких скачков придти в место приема. Удавалось наблюдать сигналы, которые обходили вокруг земного шара до трех раз.
Исключительная роль ионосферы в распространении радиоволн очень хорошо охарактеризована академиком А. С. Щукиным: «Можно сказать без преувеличения, что не будь отражения и преломления радиоволн в верхних слоях атмосферы, роль радио, как средства связи, сократилась бы на 90—95%».
Зная критические частоты и высоты отражающих слоев, можно рассчитать рабочие частоты для связи на то или иное расстояние.
В настоящее время известно три основных области или слоя ионосферы, условно обозначаемых буквами D, Е и F. Слой D расположен на высоте 70—90 км. Он обладает очень невысокой электронной концентрацией и может отражать лишь длинные волны. Для волн других диапазонов он является только поглощающим слоем. Слой D существует лишь в дневное время.
Слой Е наблюдается на высоте 100—120 км. Он существует также только в дневные часы и способен отражать в это время волны всех диапазонов.
Слой F обладает наибольшей электронной концентрацией и потому играет наибольшую роль в распространении коротких волн на большие расстояния. Он существует в течение всех суток, хотя ночью электронная концентрация в нем сильно падает. Поэтому «ночью приходится применять для связи более длинные волны. Высота этого слоя колеблется от 200 до 400 км. В дневное время он распадается на два слоя: слой F1 (внизу) и F2 (наверху). Такое расщепление наблюдается в низких широтах в течение всего года, а в умеренных и высоких широтах — летом.
Высоты и критические частоты слоев регулярно меняются в течение суток года и с циклом солнечной деятельности. Наибольшие изменения наблюдаются в слое F2.
Наряду с регулярными изменениями, в ионосфере, особенно в «высоких широтах, довольно часто наблюдаются значительные не регулярные изменения или возмущения, которые нередко влекут за собою ухудшение и даже полное прекращение радиосвязи в особенности на коротких волнах. Ухудшения радиосвязи чаще всего наблюдаются во время полярных сияний и магнитных бурь. Впервые на этот факт обратили внимание радисты полярных станций еще задолго до организации специальных исследований в высоких широтах. Оказалось, что чем ближе проходит радиотрасса к зоне полярных сияний, тем сильнее она подвержена нарушениям. Особенно частые нарушения радиосвязи были отмечены в самой зоне полярных сияний. Осуществить связь между станциями, расположенными по обе стороны зоны, во время полярных сияний и магнитных бурь часто бывает очень затруднительно.
Когда в 1938 г. экспедиция Северный полюс 1 находилась у восточных берегов Гренландии, с ней нельзя было поддерживать связь через зону полярных сияний в течение нескольких дней под ряд. В эти дни была большая магнитная буря, сопровождавшаяся интенсивными полярными сияниями.
Ухудшение радиосвязи во время полярных сияний и магнитных бурь навело исследователей на мысль, что это происходит из-за на рушений нормальных условий в самой ионосфере. Действительно,
при сопоставлении условий распространения радиоволн с состоянием ионосферы было обнаружено, что во время полярных сияний и магнитных бурь «спокойная» ионосфера претерпевает резкие изменения. По аналогии с магнитными бурями нарушения в ионосфере стали называть ионосферными бурями или ионосферными возмущениями.
Ионосферные бури и радионарушения обладают одинаковым географическим распределением: интенсивность их растет от низких широт к высоким. В полярных районах ионосферные бури случаются настолько часто, что даже трудно говорить о нормальном состоянии ионосферы.
Нарушения в ионосфере в слое F2. Во время полярных сияний и магнитных возмущений в первую очередь и сильнее всего затрагивается слой F2: он подвергается значительному воздействию корпускулярных потоков. Как можно видеть по ионосферным записям, структура слоя становится очень сложной. Слой поднимается на большие высоты. Электронная плотность, вследствие поднятия и расширения слоя, становится весьма низкой, так что критические частоты уменьшаются больше чем вдвое. Ионосфера из слоистой, хорошо отражающей радиоволны, превращается в неправильно расчлененную, как бы перемешанную. Пред полагают, что, входя в ионосферу, корпускулярный поток вызывает движение высоких слоев атмосферы. Все пространство между слоями Е и F заполняется быстро меняющимися ионизированными образованиями. Дополнительные слои могут возникать и выше слоя F, что особенно характерно для ионосферы высоких широт в ночные часы зимних месяцев. Радиоволны, которые хорошо отражались при нормальных условиях, могут теперь пронизывать слой. Таким образом, радиосвязь оказывается нарушенной. Возмущения в области F представляют обычно длительный процесс, продолжающийся иногда несколько дней.
Одно время предполагалось, что уменьшение электронной концентрации связано с расширением слоя F из-за нагревания ионосферы при ее бомбардировке заряженными частицами. Возрастание температуры должно приводить к более однородному распределению плотности ионизации с высотой, что как будто подтверждается и равномерным свечением лучей полярных сияний. Однако, как указывалось раньше, температура атмосферы во время полярных сияний остается низкой.
Хотя в высоких широтах из-за поглощения радиоволн на высотах ниже слоя Е исследование слоя F становится затруднительным, удается установить случаи, когда во время интенсивных сияний обнаруживается увеличение, а не уменьшение электронной концентрации.
Во время сильных магнитных бурь, когда сияния спускаются в средние и даже низкие широты, наблюдается еще одно интересное явление: возникает дополнительный ионизированный слой, получивший название слоя полярного сияния (рис. 49).
Как показала Н. В. Медникова, слой полярных сияний обычно появляется в начале на большой высоте, затем опускается и сливается со слоем F2, а иногда проникает и ниже его. Электронная плотность этого слоя меньше плотности слоя F2, и мы можем наблюдать его только потому, что во время возмущения слой F2 начинает распадаться на отдельные облака и становится как бы прозрачным. Такой слой всегда почти обнаруживается в Москве во время сильных полярных сияний; происхождение его связано с проникновением корпускулярных потоков в средние и низкие широты.
Нарушение в ионосфере на уровне слоя Е. Слой Е во время полярных сияний не испытывает резких изменений, но внедряющиеся корпускулярные потоки вызывают на уровне слоя Е, или ниже его, дополнительную ионизацию, связанную с образованием так называемых спорадических слоев. Образование спорадического (нерегулярного) слоя ионосферы в высоких широтах совпадает обычно со слабыми и средними по интенсивности магнитными бурями и сияниями средней яркости. Спорадические слои могут быть «прозрачными», когда сквозь них можно наблюдать более высокие слои, или «экранирующими», когда через них верхние слои не видны. Явление «прозрачности» спорадических слоев можно объяснить тем, что слой представляет собой устойчивое скопление ионизированных облаков с повышенной электронной плотностью. Размеры облаков повышенной ионизации и расстояние между ними достаточно велики. Радиоволны, проникая в такое облако, испытывают преломление и отражение, как в обычном ионосферном слое. С другой стороны, радиоволна может проникнуть до вышерасположенного слоя, если не встретит на своем пути облака с повышенной электронной плотностью, и отразиться от области, лежащей выше это го слоя. Когда слой становится сплошным, он может полностью экранировать все вышележащие слои. Спорадические ионизированные об лака могут перемещаться. Установлено, что скорости их колеблются от 20 до 500 м/сек. Спорадические слои имеют ограниченное протяжение.
Можно заметить, как при поднятии дуги полярного сияния — от горизонта до зенита — увеличивается образование спорадических слоев. Электронная плотность слоев Es может достигнуть и даже на много превышать плотность нормального слоя Е. В некоторых случаях отражения от спорадических слоев имеют место на частотах, превышающих критические частоты слоя F2. Электронные плотности в области полярных сияний могут быть оценены из данных абсолютных яркостей самих сияний. Так, например, по данным Омхольта, во время слабых диффузных сияний электронная плотность составляет 1—1,5∙106 электронов на 1 см3, во время ярких и очень ярких сияний, при быстром их движении, электронная плотность возрастает до 10—12∙106 электронов на 1 см3. Электронная плотность 106 электронов на 1 см3 соответствует критической частоте в 9 мггц при вертикальном падении радиоволн на слой, что подтверждается радионаблюдениями. Таким образом, имеет место соответствие между электронной плотностью в спорадическом слое и свечением полярных сияний.
Большие плотности спорадических образований в высоких широтах и большая частота их появления позволяют осуществлять через них связь. Это единственный вид нарушения ионосферы, который при определенных условиях может выручить нарушенную связь через регулярные слои, которые в высоких широтах во время полярных сияний становятся очень неустойчивыми и не могут обеспечить прохождение коротких радиоволн.
Полярную ионосферу в этом смысле можно рассматривать как очень сложный «рефлектор», изменчивость которого зависит от форм и движений сияний, их протяженности и других факторов.
Аномальное поглощение радиоволн. Во время очень сильных полярных сияний может образоваться ионизированная область поглощения радиоволн. Область сильного поглощения радиоволн следует отнести к интервалу высот от 70 до 90 км, где расположен нижний край очень ярких сияний, связанный с проникновением на эти уровни (слой D ионосферы) более интенсивных корпускулярных потоков. Это поглощение радиоволн называется
аномальным (или полярным), поскольку оно является дополнительным к поглощению их в дневное время; поглощение в дневное время связано с воздействием интенсивного ультрафиолетового излучения Солнца.
Зона наибольшего аномального поглощения радиоволн в ионосфере примерно совпадает с зоной максимальной повторяемости полярных сияний. Поэтому радиотрассы, проходящие через зону полярных сияний, наиболее трудны в эксплуатации.
Объяснение поглощения радиоволн во время полярных сияний и магнитных бурь было дано советским ученым М. А. Бонч-Бруевичем, под руководством которого в 1932 г. были проведены экспериментальные исследования ионосферы за Полярным кругом.
Известно, что часть энергии радиоволны затрачивается на при ведение в колебания свободных электронов и переходит в тепловую энергию при столкновениях электронов с нейтральными молекулами.
Степень ослабления или поглощения энергии радиоволн в ионосферном слое определяется произведением электронной плотности (N) на число столкновений электронов с молекулами (v). На уровне слоя D из-за большого количества соударений произведение Nν, определяющее затухание радиоволн, будет наибольшим.
Поглощение радиоволн в ионосфере является одним из важных факторов, ограничивающих дальность радиосвязи. При расчете радиоволн по трассам, проходящим через высокие широты, нужно знать местоположения зоны сияний (которая является практически и зоной аномального поглощения) и физические процессы, происходящие в ионосфере во время полярных сияний. В результате наблюдений, произведенных в последние годы в высоких широтах, обнаружен еще один вид ионосферных нарушений, указывающий на глубокое проникновение заряженных частичек в атмосферу Земли.
Во многих случаях при появлении полярных сияний над головой наблюдателя в магнитном поле Земли возникает особый вид возмущения, названный бухтообразным возмущением. Оно названо так потому, что кривая на магнитограмме во время этого возмущения напоминает очертание бухты или залива на географической карте. Во время такого возмущения часто наблюдается поглощение радиоволн.
Продолжительность поглощения радиоволн ограничивается не сколькими часами. Восстановление связи наступает сразу же после прекращения бухтообразного нарушения магнитного поля, без всякого последействия. Пример такого одновременного нарушения прохождения радиоволн и магнитного поля Земли приведен на рис. 50.
Поглощение радиоволн очень сильно связано также с пульсирующими формами полярных сияний, которые обычно бывают не очень яркими. Наблюдения в высоких широтах показали, что поглощение радиоволн во время пульсирующих форм сияний наступает в 90 из 100 случаев.
Таким образом, полярные сияния производят заметные эффекты в ионосфере, сказывающиеся на распространении радиоволн, особенно в высоких широтах. Ионосферные возмущения в полярных областях отличаются от средних широт значительно более глубоки ми и продолжительными изменениями.
Помимо того, что полярные области подвержены действию ультрафиолетовой части солнечного излучения, они находятся также под непрерывным воздействием корпускулярного излучения. Поглощаясь в верхних слоях атмосферы, это излучение производит дополнительную ионизацию молекул и атомов воздуха и вызывает в этих районах частые полярные сияния и магнитные бури. Результаты наблюдений показывают, что в ночное время на севере ионосфера имеет более высокую ионизацию, чем это можно было предполагать. Наибольшие электронные плотности связаны с яркими сияниями лучистой формы. Спектральные флуктуации интенсивности полярных сияний определенно связаны с источниками ионосферной и магнитной возмущенности. Когда имеются сильные колебания интенсивности в линиях и полосах спектра сияний, одновременно наблюдаются и колебания в ионизации.
Изменение ионизации во время полярных сияний протекает особенно бурно, часто появляются спорадические облака и диффузность, в результате чего резко изменяются и условия прохождения радио волн вплоть до полного исчезновения радиослышимости, иногда на довольно продолжительный срок, из-за поглощения.
Нарушение радиосвязи во время полярных сияний и магнитных бурь наносит большой ущерб народному хозяйству. Отсюда возникает потребность прогнозов нарушения радиосвязи во время возмущенных периодов. Наблюдая за движением и развитием активной области Солнца, можно в ряде случаев предсказать день, когда выбрасываемые ею корпускулы достигнут Земли и вызовут нарушение радиосвязи. Такой прогноз позволяет заблаговременно принять необходимые меры.
—Источник—
Исаев, С.И. Полярные сияния/ С.И. Исаев [и д.р.]. – М.: Издательство академии наук СССР, 1958.- 112 с.
Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава
