Ионосфера и распространение радиоволн
История открытия.
1901 год, город Сент-Джонс. Во всеуслышание Гильельмо Маркони объявил, что ему удалось с помощью 152-метровой антенны принять радиосигнал источник которого находился в графстве Кэрнуэлл, Англия. То есть это был первый оффициально зафиксированный случай удачно принятого трансантлантического сигнала. Тогда в данное заявление было трудно поверить и оно было опровергнуто: как никак Земля в силу изгиба своей сферической поверхности не дала бы сигналу пересечь тихий океан - однако уже в следующем году с тем же оборудованием что использовал Маркони удалось успешно принять другие трансантлантические передачи.
Г. Маркони(1874 г. - 1937 г.)
В том же 1902 году англичанин Оливер Хэвисайд предложил гипотезу согласно которой радиоволны распространяются вокруг поверхности планеты несмотря на её кривизну благодаря слою в атмосфере отражающему сигнал. Независимо от него американец Артур Кеннелли проводил эксперименты по приёму волн короткого диапазона через Атлантику. Они предположили, что землю окружает ионизированный слой атмосферы и именно он является отражателем. Первоначально его назвали слоем Хэвисайда - Кеннелли.
О. Хэвисайд(1850г. - 1925г.)
А. Э. Кеннелли(1861г. - 1939г.)
В 1920-ых годах советским учёным М. В. Шулейкиным было обнаружено, что у этого слоя должно быть как минимум 2 области с высокой концентрацией заряженных частиц на высоте примерно в 100 и 200 метров, а также он должен иметь неоднородности и скорее напоминать не ровную сферу вокруг планеты, а скопление облаков ионизированного газа, некоторые из которых могут в значительной степени выделяться. В результате отражения сигнала от таких образований он может сконцентрироваться(усилиться) или рассеяться. В будущем другие учёные на основе его работ выделили регионы концентрации заряженных частиц в зависимости от высоты.
М. В. Шулейкин(1884г. - 1939г.)
В 1926 году известный шотландский физик Роберт Уотсон-Ватт ввёл термин "ионосфера" в письме, которое журнал Nature опубликовал только в 1969 году:
В последнее время термины для описания слоев атмосферы, такие как ‘стратосфера’ и ‘тропосфера’ все прочнее входят в лексикон научного сообщества... Термин ‘ионосфера’, относящийся к области атмосферы с высокой ионизацией и большими длинами свободных пробегов заряженных частиц, кажется, хорошо подходит в этот ряд.
Р. Уотсон-Ватт (1892 г. - 1973 г.)
Однако слои ионосферы находятся внутри верхних слоёв атмосферы, потому в наше время ионосферу не выделяют отдельным атмосферным слоем по типу тропосферы и стратосферы и потому вы не найдёте её на схемах по типу этой:
Ещё одно "максимально оригинальное" название ионосфере дал в 1927 году английский физик Эдвард Виктор Эплтон - "слой Эплтона". Шутки шутками, но он изучал верхние слои атмосферы и был первым кто смог действительно подтвердить их существование. Кстати, за заслуги в этой области он был удостоен нобелевской премии в 1947 году.
Э. В. Эплтон(1892г. - 1965г.)
Как образуется ионосфера и какие процессы в ней протекают?
Внутри верхних слоёв атмосферы под влиянием космического и солнечного излучений происходит постоянная ионизация частиц, в процессе которой нейтрально заряженные частицы, грубо говоря, теряют электроны и становятся заряженными частицами – ионами. Ионы и свободные электроны ведут себя иначе по сравнению с обычными нейтральными частицами, если точнее слои их скоплений имеют проводящие свойства, потому оказывают непосредственное влияние на пространственные радиоволны различных диапазонов.
Основными из факторов ионизации являются: течение суток, время года, фазы активности солнечного цикла, солнечные вспышки, геомагнитное поле Земли и магнитные бури в нём.
Обычно нижние слои атмосферы так не ионизируются, так как большая часть солнечного излучения к ним не проникает и в основном блокируется верхними слоями атмосферы и озоновым слоем.
Ионосфера не является неизменной, то есть она динамична, так как подвергается разным формирующим факторам, вплоть до полного исчезновения некоторых её слоёв в силу рекомбинации - обратного процесса, когда свободные электроны и ионы вновь становятся нейтральными частицами. Она происходит постоянно, но под воздействием солнечного излучения не может полностью перевесить ионизацию.
Регионы ионосферы
Выделяют 3 региона:
Слой D, расположенный на высоте примерно 70-80км. Он является “рассеивателем” для некоторых диапазонов радиоволн и препятствует их распространению. Этот слой характеризуется сильным настолько сильным снижением ионизации ночью, что обычно в это время суток он полностью исчезает.
Слой E, расположенный на высоте примерно 100-120км делится на регулярный слой E и, практически всегда наблюдаемый нерегулярный, спорадический слой E(s), отличающийся особо высокой концентрацией электронов в относительно малой области(всего 0.5-1км). В ночное время в некоторой степени слабеет, но в отличие от слоя D полностью не исчезает.
Слоем F называют всю ионосферу выше 150км и до 500-1000км(разные источники пишут разные цифры). Из-за того, что наибольшая концентрация ионов и электронов сосредоточена на уровне примерно 250-500км, эту область делят на подслои F1(с меньшей концентрацией частиц) и F2(с большей ионизацией частиц).
Следует отдельно выделить авроральные зоны(зоны полярного сияния). Там стабильность для ионосферы скорее исключение, ежели норма.
Во время магнитной бури ионосфера претерпевает продолжительные резкие изменения. Из равномерной и с выраженными слоями она становится перемешанной, неравномерной, где-то плотной, где-то разорванной. Радиоволны, хорошо отражающиеся при нормальных условиях, могут пронизывать слои или полностью ими рассеиваться, в итоге радиосвязь нарушается.
Нарушения в ионосфере по аналогии зовутся ионосферными бурями. Чем ближе к зоне полярных сияний, тем больше интенсивность ионосферных бурь и тем сильнее радиосвязь подвержена нарушениям, а в зоне самих полюсов вообще частицы из верхних слоёв ионосферы могут проникать ниже, именно здесь и именно так берёт своё начало спорадический подслой E(s). Особенно эти проблемы касаются полярных станций, которым бывает практически невозможно осуществить связь в течение многих дней подряд.
Иногда, когда сияния спускаются в средние и низкие широты, может появиться дополнительный ионизированный слой, прозванный слоем полярного сияния. А когда до слоя D доходит нижний край очень ярких полярных сияний там образуется область аномально сильного поглощения радиоволн.
Влияние ионосферы на радиоволны разных диапазонов
Так как же именно ионосфера влияет на распространение радиоволн? Начать стоит с двух определений:
Поверхностные радиоволны - радиоволны, распространяющиеся вдоль земли. Способны огибать некоторые препятствия и в некоторой степени изгиб земной поверхности благодаря явлениям дифракции и преломления. Дальность распространения, а следовательно и связи зависит от диапазона, уровня мощности сигнала, от антенны и её эффективности, а также от участка поверхности. На них ионосфера никак не влияет.
Чем выше диапазон, тем больше расстояние которое они преодолевают, например связь такой волной на диапазоне 160 метров возможна на расстоянии максимум 100км, на 10 метрах 50км. Для УКВ диапазонов так вообще всегда необходима или прямая видимость между передатчиком и приёмником или очень близкое расстояние.
Пространственные или ионосферные – это радиоволны, распространяющиеся вокруг земного шара с помощью отражения от ионосферы и поверхности земли. Именно их случайно поймал Маркони. В зависимости от диапазона в распространении есть отличия:
Сверхдлинные волны(СДВ; 100000-10000м, 3-30кГц) и длинные волны (ДВ; 10000-1000м, 30-300кГц). Расстояние между земной поверхностью и ионосферой, для них выступает как гигантский волновод, по которому они беспрепятственно распространяются огибающей волной вдоль земной поверхности вплоть до её полного огибания. Как и в обычных волноводах, здесь есть оптимальные волны(25-35км), распространение коих происходит с меньшим затуханием, а также критическая(100км).
Средние волны(СВ; 1000-100м, 300кГц-3МГц). Хорошо отражаются от слоя E, но в дневное время сильно поглощаются слоем D.
Короткие волны(КВ; 100-10м, 3-30МГц). Отражаются ионосферой подобно средним волнам, но не зависимо от времени суток. Они могут многократно “отскакивать” от ионосферы к земле, от земли к ионосфере и т.д. распространяясь на многие тысячи километров. Называют такое распространение соответственно - скачковое.
Ультракороткие волны(УКВ; 10-0.1мм, 30МГц-3ТГц). Опять же, распространяются в пределах прямой видимости, при этом проходят сквозь ионосферу и не отражаются от неё.
Такая особенность не позволяет с их помощью проводить связь с объектами далеко или просто за горизонтом путем отражения от ионосферы, но зато позволяет, например, обмениваться информацией со спутниками и космическими аппаратами на орбите, куда не способны добраться сигналы более длинных диапазонов.