Распространение радиоволн
Распространение радиоволн — процесс передачи в пространстве электромагн. колебаний радиодиапазона (см. Радиоволны ).В естеств. условиях распространения радиоволн происходит в различных средах, например в атмосфере, космической плазме, в поверхностном слое Земли.
Общие закономерности распространения радиоволн
Скорость распространения радиоволн в свободном пространстве в вакууме равна скорости света с. Полная энергия, переносимая радиоволной, остаётся постоянной, а плотность потока энергии убывает с увеличением расстояния r от источника обратно пропорционально r 2 . Распространение радиоволн. в других средах происходит с фазовой скоростью, отличающейся от с, и в равновесной среде сопровождается поглощением электромагн. энергии. Оба эффекта объясняются возбуждением колебаний электронов и ионов среды под действием электрич. поля волны. Если напряжённость поля E гармонич. волны мала по сравнению с напряжённостью поля, действующего на заряды в самой среде (например, на электрон в атоме), то колебания происходят также по гармонич. закону с частотой w пришедшей волны. Колеблющиеся электроны излучают вторичные радиоволны той же частоты, но с др. амплитудами и фазами. В результате сложения вторичных волн с приходящей формируется результирующая волна с новой амплитудой и фазой. Сдвиг фаз между первичной и переизлучёнными волнами приводит к изменению фазовой скорости. Потери энергии при взаимодействии волны с атомами являются причиной поглощения радиоволн.
Амплитуда волны убывает с расстоянием по закону а фаза волны изменяется по закону y = wt — (w/с)nr, где x — показатель поглощения, n — преломления показатель; n и x зависят от диэлектрической проницаемости e среды, её проводимости s и частоты волн w:
где
наз. тангенсом угла потерь. Фазовая скорость u = с/n, коэф. поглощения 
Среда ведёт себя как диэлектрик, если 
и как проводник, если
В первом случае 
во втором —
и волна затухает на расстояниях 
— толщина скин-слоя (см. Скин-эффект). В среде e ц s являются функциями частоты (см. Дисперсия волн). Вид частотной зависимости е и s определяется структурой среды. Дисперсия радиоволн особенно существенна в тех случаях, когда частота волны близка к характерным собств. частотам среды (например, при распространении радиоволн в ионосферной и космич. плазме, см. ниже).
При распространении радиоволн в средах, не содержащих свободных электронов (тропосфера, толща Земли), происходит смещение связанных электронов в атомах и молекулах среды в сторону, противоположную полю волны Е, при этом n > 1, uФ < с. В плазме поле волны вызывает смещение свободных электронов в направлении E, при этом n < 1 и uФ > с, т. е. фазовая скорость монохро-матич. волны может быть как меньше, так и больше с. Однако для того чтобы передать при помощи радиоволн к—л. информацию (энергию), необходимо иметь ограниченный во времени радиосигнал, представляющий собой нек-рый набор гармонич. волн. Спектральный состав сигнала зависит от его длительности и формы. Радиосигнал распространяется с групповой скоростью uгр. В любой среде uгр < с.
В однородных средах радиоволны распространяются прямолинейно, подобно световым лучам. Процесс распространения радиоволн в этом случае подчиняется законам геометрической оптики. Однако реальные среды неоднородны. В них п, а следовательно, и uФ различны в разных участках среды, что приводит к рефракции радиоволн. В случае плавных (в масштабе l) неоднородности справедливо приближение геом. оптики. Если показатель преломления зависит только от высоты h, отсчитываемой от сферической поверхности Земли, то вдоль траектории луча выполняется условие
Соотношение (2) представляет собой Снелля закон преломления для сферическислоистой среды. Здесь R0 — радиус Земли, f — угол наклона луча к вертикали в произвольной точке траектории. Если вместо действит. показателя преломления га ввести приведённый показатель преломления
то закон преломления (2) получит вид
Соотношение (4) наз. законом преломления Снелля для плоскослоистой среды.
Если n убывает при увеличении h, то в результате рефракции луч, по мере распространения, отклоняется от вертикали и на нек-рой высоте hm становится параллельным горизонтальной плоскости, а затем распространяется вниз (рис. 1, а). Макс. высота hm, на к-рую луч может углубиться в неоднородную плоскослоистую среду, зависит от угла падения f0 и определяется из условия
Рис. 1. а — рефракция радиоволн в плоскослоистой среде с grad n < 0;
б — зависимость квадрата амплитуды напряжённости электрического поля радиоволны от высоты h.
В область h > hm лучи не проникают, и, согласно приближению геом. оптики, волновое поле в этой области должно быть равно 0. В действительности вблизи плоскости h = hm волновое поле возрастает, а при h > hm убывает экспоненциально (рис. 1, б). Нарушение законов геом. оптики при распространении радиоволн связано также с дифракцией волн, вследствие к-рой радиоволны могут проникать в область геом. тени. На границе области геом. тени образуется сложное распределение волновых полей. Дифракция радиоволн возникает при наличии на их пути препятствий (непрозрачных или полупрозрачных тел) и особенно существенна в тех случаях, когда размеры препятствий сравнимы с l.
Если распространение радиоволн происходит вблизи резкой границы (в масштабе l) между двумя средами с разл. электрич. свойствами (например, атмосфера — поверхность Земли или тропосфера — ниж. граница ионосферы для достаточно длинных волн), то при падении радиоволн на резкую границу образуются отражённая и преломлённая (прошедшая) радиоволны. Если отражение происходит от границы проводящей среды (например, от поверхностного слоя Земли), то глубина проникновения в него определяется толщиной скин-слоя.
В неоднородных средах возможно волноводное распространение радиоволн, при к-ром происходит локализация потока энергии между определ. поверхностями, за счёт чего волновые поля между ними убывают с расстоянием медленнее, чем в однородной среде (атм. волновод). В средах с плавными неоднородностями локализация связана с рефракцией, а в случае резких границ — с отражением.
В среде, содержащей случайные локальные неоднородности, вторичные волны излучаются беспорядочно в разл. направлениях. Рассеянные волны частично уносят энергию исходной волны, что приводит к её ослаблению. При рассеянии на неоднородностях размером ll (т. н. рассеяние Рэлея; см. Рассеяние света)рассеянные волны распространяются почти изотропно. В случае рассеяния на крупномасштабных прозрачных неоднородностях рассеянные волны распространяются в направлениях, близких к исходной волне. При l ! l возникает сильное резонансное рассеяние.
Влияние поверхности Земли на распространение радиоволн определяется как электрич. параметрами e и s грунтов и водных пространств, образующих земную кору, так и структурой поверхности Земли, т. е. её кривизной и неоднородностью. Распространение радиоволн — процесс, захватывающий большую область пространства, но наиб. существ. роль в распространении радиоволн играет область, ограниченная поверхностью, имеющей форму эллипсоида вращения, в фокусах к-рого A и B на расстоянии r расположены передатчик и приёмник (радиотрасса, рис. 2). Большая ось эллипсоида равна
малая ось определяется размерами первой Френеля зоны и 
Ширина трассы уменьшается с убыванием l. Если высоты z1 и z2, на к-рых расположены антенны передатчика и приёмника над поверхностью Земли, велики по сравнению с l, то эллипсоид не касается поверхности Земли и она не влияет на распространение радиоволн (рис. 2, а). При понижении обеих или одной из конечных точек радиотрассы (или увеличении длины волны) поверхность Земли пересекает эллипсоид. В этом случае на распространение радиоволн оказывают влияние электрич. параметры области поверхности Земли, ограниченной эллипсом сечения, вытянутым вдоль трассы. При сохранении условий 
и 
в точке приёма возникает интерференция между прямой и отражённой волнами (см. Интерференция волн ).Амплитуда и фаза отражённой волны определяются с учётом Френеля формул для коэф. отражения. Интерференционные максимумы и минимумы обусловливают лепестковую структуру поля, к-рая характерна для декаметровых и более коротких радиоволн. Если z1/l < 1 и z2/l < 1, то радиотрасса выделяет участок поверхности Земли, ограниченный эллипсом с осями r + l(p/4) и
Рис. 2. Эллипсоидальная область пространства, существенная
при распространении радиоволн (радиотрасса); А — излучатель; В — приёмник.
Уменьшение напряжённости поля, а следовательно, и потока энергии, переносимого радиоволной вдоль поверхности Земли (земной волной), обусловлено проводимостью поверхности в этой области. При P.p. вдоль проводящей поверхности возникает поток энергии, направленный в проводящую среду и быстро затухающий по мере распространения в ней. Глубина проникновения радиоволны в земную кору определяется толщиной скин-слоя и, следовательно, увеличивается с увеличением длины волны. Поэтому для подземной и подводной радиосвязи используются длинные и сверхдлинные радиоволны.
Рис. 3. Дальность «прямой видимости» r ограничена выпуклостью земной поверхности;
R0 — радиус Земли, z1, и
z2, — высоты передающей А и приёмной В антенн соответственно.
Выпуклость земной поверхности ограничивает расстояние, на к-ром из точки приёма В «виден» передатчик А (область «прямой видимости», рис. 3). Однако радиоволны, огибая Землю в результате дифракции, могут проникать в область тени на большее расстояние(R0 — радиус Земли). Практически в эту область за счёт дифракции могут проникать только километровые и более длинные волны (рис. 4).
Рис. 4. График, иллюстрирующий связь дальности r распространения
от величины W = 20lg|E/E*|, где E — напряжённость поля радиоволны в реальных условиях распространения
с учётом огибания выпуклости земной поверхности (излучатель расположен на поверхности Земли);
Е* — напряжённость поля для разных частот без учёта дифракции.
Фазовая скорость земных волн вблизи излучателя зависит от электрич. свойств. Однако на расстоянии в неск. l от излучателя uф! с. Если радиоволны распространяются над электрич. неоднородной поверхностью, например сначала над сушей, а затем над морем, то при нересечении береговой линии резко изменяются амплитуда и направление распространения радиоволн. (береговая рефракция, рис. 5).
Рис. 5. Изменение напряжённости электрического поля волны при пересечении береговой линии.
Влияние рельефа земной поверхности на распространение радиоволн зависит от высоты неровностей h, их горизонтальной протяжённости l, l и угла q падения волны на поверхность. Если неровности достаточно малы и пологи, так что khcosq < < 1 (k — волновое число), и выполняется т. н. критерий Рэлея k 2 l 2 cosq < 1, то они слабо влияют на распространение радиоволн Влияние неровностей зависит также от поляризации волн. Например, для горизонтально поляризованных волн оно меньше, чем для волн, поляризованных вертикально. Когда неровности не малы и не пологи, энергия радиоволны может рассеиваться (радиоволна отражается от них). Высокие горы и холмы с h > l «возмущают» волновое поле, образуя затенённые области. Дифракция радиоволн на горных хребтах иногда приводит к усилению волны из-за интерференции прямых и отражённых волн. Вершина горы служит естеств. ретранслятором. Это существенно при распространении метровых радиоволн в гористой местности (рис. 6).
Распространение радиоволн в тропосфере
Тропосфера — область атмосферы, расположенная между поверхностью Земли и тропопаузой, в к-рой темп-pa воздуха обычно убывает с высотой (в тропопаузе температура с высотой увеличивается). Высота тропопаузы на земном шаре неодинакова, над экватором она больше, чем над полюсами, а в средних широтах, где существует система сильных западных ветров, изменяется скачкообразно. Тропосфера состоит из смеси нейтральных молекул и атомов газов, входящих в состав сухого воздуха, и паров воды. Диэлектрическая проницаемость, а следовательно, и показатель преломления газа, не содержащего свободных электронов и ионов, обусловлены дополнительными полями, создаваемыми смещением электронов в молекулах (поляризация сухого воздуха) я ориентацией полярных молекул (пары воды) под действием электрич. поля волны.
Показатель преломления тропосферы:
где p — давление сухого воздуха, е — давление водяного пара в миллибарах, Т — темп-pa. Показатель преломления не зависит от частоты и очень мало отличается от единицы. Так, у поверхности Земли с увеличением высоты происходит изменение параметров р, Т, е, определяющих значение показателей преломления. При нормальных метеорологич. условиях показатель преломления уменьшается с высотой:
Это приводит к искривлению траектории лучей. Для правильной оценки положения луча относительно поверхности Земли необходимо учитывать сферичность её поверхности, что можно сделать, вводя приведённый показатель преломления (3):
отличающийся от grad n не только по абс. величине, но и по знаку. В условиях нормальной тропосферной рефракции grad nпр > 0. В этом случае луч, вышедший из приподнятого над землёй излучателя под углом 
к вертикали, при распространении приближается к ней. При 
распространение лучей происходит в сторону уменьшающихся значений nпр. При этом, в зависимости от значений f0, луч может достигнуть поверхности Земли и отразиться от неё, достигнуть точки поворота, определяемой из условия (5), и при нек-ром значении угла f0 точка поворота может лежать на поверхности Земли. В этом случае траектория луча является границей между областью, в к-рую могут попасть лучи, и областью тени. Нормальная тропосферная рефракция способствует увеличению области прямой видимости.
Метеорологич. условия существ. образом влияют на изменение показателя преломления, т. е. и на рефракцию радиоволн. Обычно в тропосфере давление воздуха н темп-pa С высотой уменьшаются, а давление водяного пара увеличивается. При нек-рых метеорологич. условиях, например при движении нагретого над сушей воздуха над более холодной поверхностью моря, температура воздуха с высотой увеличивается, а давление водяного пара уменьшается (инверсия температуры и влажности). В этом случае показатель преломления изменяется с высотой не монотонно, т. е. dnпр/dh на нек-рой высоте может изменить знак. Если в интервале высот, определяемом толщиной слоя инверсии, то gradnnpnпр < О лучи отражаются от высоты, определяемой из условия (5). В пространстве, ограниченном снизу поверхностью Земли, а сверху высотой, на к-рой dnпр/dh изменяет знак, возникают условия для волноводного распространения (рис. 7). В тропосферных волноводах, как правило, могут распространяться волны с l < 1 м.
Рис. 7. Траектории УКВ в тропосферном волноводе.
Поглощение радиоволн в тропосфере пренебрежимо мало для всех радиоволн вплоть до сантиметрового диапазона. Поглощение сантиметровых и более коротких волн резко увеличивается, когда частота волны w совпадает с одной из собств. частот колебаний молекул воздуха (резонансное поглощение). Молекулы получают от приходящей волны энергию, к-рая превращается в теплоту p только частично передаётся вторичным волнам. Известен ряд линий резонансного поглощения в тропосфере: l = 1,35 см, 1,5 см, 0,75 см (поглощение в парах воды) и l = 0,5 см, 0,25 см (поглощение в кислороде). Между резонансными линиями лежат области более слабого поглощения (окна прозрачности).
Ослабление радиоволн может быть также вызвано рассеянием на неоднородностях, возникающих при турбулентном движении воздушных масс (см. Турбулентность ).Рассеяние резко увеличивается, когда в воздухе присутствуют капельные неоднородности в виде дождя, снега, тумана. Почти изотропное рассеяние Рэлея на мелкомасштабных неоднородностях делает возможной радиосвязь на расстояниях, значительно превышающих прямую видимость (рис. 8). Т. о., тропосфера существенно влияет на распространение УКВ. Для декаметровых и более длинных волн тропосфера практически прозрачна, и на их распространение влияют земная поверхность и более высокие слои атмосферы.
Рис. 8. Рассеяние радиоволн на мелкомасштабных неоднородностях.
Распространение радиоволн в ионосфере
Ионосферу образуют верх. слои земной атмосферы, в к-рой газы частично (до 1%) ионизированы под влиянием УФ-, рентг. и корпускулярного солнечного излучения. Ионосфера электрически нейтральна, она содержит равное кол-во положит. и отрицат. частиц, т. е. является плазмой. Достаточно большая ионизация, оказывающая влияние на распространение радиоволн начинается на высоте 60 км (слой D), увеличивается до высоты 300-400 км, образуя слои Е. F1, F2, и затем медленно убывает. В гл. максимуме концентрация электронов N достигает 10 6 см -3 . Зависимость N от высоты меняется со временем суток, года, с солнечной активностью, а также с широтой и долготой. Ионизиров. слой между 200 и 400 км состоит в осн. из равного кол-ва ионов О + и электронов. Эти частицы погружены в нейтральный газ с концентрацией 10 8 см -3 , состоящий в осн. из частиц О2, О, N2 и Не.
В многокомпонентной плазме, содержащей электроны, ионы и нейтральные молекулы и пронизанной магн. полем Земли (см. Земной магнетизм), могут возникать разл. виды собств. колебаний, имеющих разные частоты. Например, плазменные (ленгмюровские) частоты электронов 
и ионов 
ги-ромагн. частоты электронов 
и ионов 
где т, М — массы электрона и иона, е — их заряд, N — концентрация, Н0 — напряжённость магн. поля Земли. Т. к. 
то 
. Например, для электронов
=1,4 МГц, а для ионов атомарного кислорода
= 54 Гц.
В зависимости от частоты w радиоволны основную роль в распространении радиоволн играют те или др. виды собств. колебаний, поэтому электрич. свойства ионосферы различны для разных участков радиодиапазона. При высоких w ионы не успевают следовать за изменениями поля и в распространении радиоволн принимают участие только электроны. Вынужденные колебания свободных электронов ионосферы происходят в про-тивофазе с действующей силой и вызывают поляризацию плазмы в сторону, противоположную электрич. полю волны Е. Поэтому диэлектрич. проницаемость ионосферы e < 1. Она уменьшается с уменьшением частоты: Учёт соударений электронов с атомамии ионами даёт более точные ф-лы для e и s ионосферы:
Здесь v — эфф. частота соударений. Для декаметровых и более коротких волн в большей части ионосферы 
и показатели преломления h и поглощения 
приближённо равны:
Поскольку h 1, фазовая скорость распространения радиоволн УФ = = с/п > с, групповая скорость uгр = с/n < с.
Поглощение в ионосфере пропорц. v, т. к. чем больше число столкновений, тем большая часть энергии, получаемой электроном из волн, переходит в тепло. Поэтому поглощение больше в ниж. областях ионосферы (слой D), где v больше, т. к. выше плотность газа. С увеличением частоты поглощение уменьшается. Короткие волны испытывают слабое поглощение и распространяются на большие расстояния.
Рефракция радиоволн в ионосфере. В ионосфере распространяются только радиоволны с частотой w > w0. При w < w0 показатель преломления становится чисто мнимым и электромагн. поле экспоненциально убывает в глубь плазмы. Радиоволна с частотой w, падающая на ионосферу вертикально, отражается от уровня, на к-ром w = w0 и n = 0. В ниж. части ионосферы электронная концентрация и w0 увеличиваются с высотой, поэтому с увеличением w посланная с Земли волна всё глубже проникает в ионосферу. Макс. частота радиоволны, к-рая отражается от слоя ионосферы при вертикальном падении, наз. критич. частотой слоя:
Критич. частота слоя F2 (гл. максимума) изменяется в течение суток и года в широких пределах (от 3-5 до 10 МГц). Для волн с показатель преломления не обращается в нуль и падающая вертикально волна проходит через ионосферу, не отражаясь.
При наклонном падении волны на ионосферу происходит рефракция, как в тропосфере. В ниж. части ионосферы grad
M -1 , т. е. 
поэтому grad
и траектория луча отклоняется по направлению к Земле (рис. 9). Радиоволна, падающая на ионосферу под углом f0, поворачивает к Земле на высоте h, для к-рой выполнено условие (5). Макс. частота волны, отражающейся от ионосферы при падении под углом (т. е. для данной дальности трассы), равна
и наз. максимально применимой частотой (МПЧ). Волны с 
отражаясь от ионосферы, возвращаются на Землю, что используется для дальней радиосвязи.
Рис. 9. Схематическое изображение радиолучей определённой частоты при различных углах падения на ионосферу.
Рис. 10. Распространение коротких волн между Землёй и ионосферой:
а — много-скачковая траектория; б — скользящая траектория.
Вследствие сферичности Земли величина угла f0 ограничена и дальность связи при однократном отражении от ионосферы3500-4000 км. Связь на большие расстояния осуществляется за счёт неск. последоват. отражений от ионосферы и Земли («скачков», рис. 10,а). Возможны и более сложные волноводные траектории, возникающие за счёт горизонтального градиента N или рассеяния на неоднородностях ионосферы при распространении радиоволн с частотой w> wМПЧ. В результате рассеяния угол падения луча на слой F2 оказывается больше, чем при обычном распространении. Луч испытывает ряд последоват. отражений от слоя F2, пока не попадёт в область с таким градиентом N, к-рый вызовет отражение части энергии назад к Земле (рис. 10, б).
Влияние магнитного поля Земли Н0
В магнитном поле Н0 на электрон, движущийся со скоростью u, действует Лоренца сила 
под влиянием к-рой он вращается по окружности в плоскости, перпендикулярной Н0, с гиромагн. частотой wH. Траектория каждой заряж. частицы — винтовая линия с осью вдоль Н0. Действие силы Лоренца приводит к изменению характера вынужденных колебаний электронов под действием электрич. поля волны, а следовательно, к изменению электрич. свойств среды. В результате ионосфера становится анизотропной гиротропной средой, электрич. свойства к-рой зависят от направления распространения радиоволн и описываются не скалярной величиной e, а тензором диэлект-рич. проницаемости 
. Падающая на такую среду волна испытывает двойное лучепреломление ,т. е. расщепляется на две волны, отличающиеся скоростью и направлением распространения, поглощением и поляризацией. Если направление распространения радиоволн 
то падающую волну можно представить себе в виде суммы двух линейно поляризованных волн с
и
. Для первой, «необыкновенной», волны (е)характер вынужденного движения электронов под действием поля волны Е изменяется (появляется компонента ускорения, перпендикулярная Е)и поэтому изменяется п. Для второй, «обыкновенной», волны (о) вынужденное движение остаётся таким же, как и без поля Н0 (при
сила Лоренца равна 0). Для этих двух волн (без учёта соударений) квадраты показателей преломления равны
При распространении радиоволн вдоль
В последнем случае обе волны имеют круговую поляризацию, причём у «необыкновенной» волны вектор E вращается в сторону вращения электрона, а у «обыкновенной» — в противоположную сторону. При произвольном направлении распространении радиоволн (относительно Н„) поляризация нормальных волн эллиптическая.
По мере распространения радиоволн в ионосфере увеличивается сдвиг фаз между волнами и изменяется поляризация суммарной волны. Например, при P.p. вдоль Н0 это приводит к повороту плоскости поляризации (Фарадея эффект ),а при распространении радиоволн перпендикулярно Н0 — к периодич. чередованию линейной и круговой поляризаций (см. Коттона — Мутона эффект), Т. к. показатели преломления волн различны, отражение их происходит на разной высоте (рис. 11). Направление волнового вектора k при распространении радиоволн в ионосфере может отличаться от uгр.
Рис. 11. Расщепление радиоволны в результате двойного лучепреломления в ионосфере.
Низкочастотные волны в ионосфере
Основная часть энергии НЧ-радиоволн практически не проникает в ионосферу. Волны отражаются от её нижней границы (днём — вследствие сильной рефракции в D-слое, ночью — от E-слоя, как от границы двух сред с разными электрич. свойствами). Распространение этих волн хорошо описывается моделью, согласно к-рой однородные и изотропные Земля и ионосфера образуют приземный волновод с резкими сферич. стенками, в к-ром и происходит распространение радиоволн. Такая модель объясняет наблюдаемое убывание поля с расстоянием и возрастание амплитуды поля с высотой. Последнее связано со скольжением волн вдоль вогнутой поверхности волновода, приводящим к своеобразной «фокусировке» поля. Это явление аналогично открытому Рэлеем в акустике эффекту «шепчущей галереи». Амплитуда радиоволн значительно возрастает в антиподной по отношению к источнику точке Земли. Это объясняется сложением радиоволн, огибающих Землю по всем направлениям и сходящихся на противоположной стороне.
Влияние магн. поля Земли обусловливает ряд особенностей распространения НЧ-волн в ионосфере: сверхдлинные волны могут выходить из приземного волновода за пределы ионосферы, распространяясь вдоль силовых линий геомагн. поля между сопряжёнными точками А и В Земли (рис. 12). Из ф-лы (8) видно, что при 
в случае продольного распространения 
нигде не обращается в 0, т. е. волна проходит через ионосферу без отражения. В ночной атмосфере приближение геом. оптики нарушается и частичное прохождение есть при любом угле падения. Разряды молний · в атмосфере — естеств. источник НЧ-волн. В диапазоне 1-10 кГц они приводят к образованию т. н. свистящих атмосфериков, которые распространяются указанным образом и создают на выходе приёмника сигнал с характерным свистом.
Рис. 12. Образование свистящих атмосфериков.
При Распространении радиоволн инфразвуковых частот с w » WH важную роль играют колебания ионов, ионосфера ведёт себя как проводящая нейтральная жидкость, движение которой описывается уравнениями магнитной гидродинамики. В ионосфере возможно распространение неск. типов маг-нитогидродинамич. волн, в частности альвеновских волн, распространяющихся вдоль геомагн. поля с характерной скоростью(где r — плотность газа), и магнитозвуковых волн, к-рые распространяются изотропно (подобно звуку).
Нелинейные эффекты при распространении радиоволн
Нелинейные эффекты при распространении радиоволн в ионосфере проявляются уже для радиволн сравнительно небольшой интенсивности и связаны с нарушением линейной зависимости поляризации среды от электрич. поля волны (см. Нелинейная оптика ).»На-гревная» нелинейность играет осн. роль, когда характерные размеры возмущённой электрич. полем области плазмы во много раз больше длины свободного пробега электронов. Т. к. длина свободного пробега электронов в плазме значительна, электрон успевает получить от поля заметную энергию за время одного пробега. Передача энергии при столкновениях от электронов к ионам, атомам и молекулам затруднена из-за большого различия в их массах. В результате электроны плазмы сильно «разогреваются» уже в сравнительно слабом электрич. поле, что изменяет эфф. частоту соударений. Поэтому b и s плазмы становятся зависящими от поля Е волны и распространение радиоволн приобретает нелинейный характер. «Возмущение» диэлектрич. проницаемости
где 
— характерное «плазменное» поле, Т — темп-pa плазмы, d — ср. доля энергии, теряемая электроном при одном соударении с тяжёлой частицей, 
— частота соударений.
Т. о., нелинейные эффекты становятся заметными, когда поле волны E сравнимо с Ep, к-рое в зависимости от частоты волны и области ионосферы составляет ~10 -4 -10 -1 В/см.
Нелинейные эффекты могут проявляться как самовоздействие волны и как взаимодействие волн между собой. Самовоздействие мощной волны приводит к изменению её поглощения и глубины модуляции. Поглощение мощной радиоволны нелинейно зависит от её амплитуды. Частота соударений v с увеличением температуры электронов может как расти (в ниж. слоях, где осн. роль играют соударения с нейтральными частицами), так и убывать (при соударении с ионами). В первом случае поглощение резко возрастает с увеличением мощности волны («насыщение» поля в плазме). Во втором случае поглощение падает (т. и. просветление плазмы для мощной радиоволны). Из-за нелинейного изменения поглощения амплитуда волны нелинейно зависит от амплитуды падающего поля, поэтому её модуляция искажается (автомодуляция и демодуляция волны). Изменение h в поле мощной волны приводит к искажению траектории луча. При распространении узконаправленных пучков радиоволн это может привести к самофокусировке пучка аналогично самофокусировке света и к образованию волноводного канала в плазме.
Взаимодействие волн в условиях нелинейности приводит к нарушению суперпозиции принципа .В частности, если мощная волна с частотой w1 модулирована по амплитуде, то благодаря изменению поглощения эта модуляция может передаться др. волне с частотой w2, проходящей в той же области ионосферы (рис. 13) Это явление, называемое кросс модуляцией или Люксембург-Горьковским эффектом, имеет практич. значение при радиовещании в диапазоне ср. волн.
Рис. 13. Ионосферная кроссмодуляция происходит в области пересечения лучей.
Нагрев ионосферы в поле мощной волны в КВ-диапа-зоне может вызвать тепловую параметрич. неустойчивость в ионосфере, к-рая приводит к аномально большому поглощению радиоизлучения и расслоению плазмы (см. Параметрический резонанс). В области резонанса 
образуются сильно вытянутые вдоль Н0 неоднородности ионосферы (с продольным масштабом 1 км, поперечным — 0,5
100 м), к-рые перспективны для дальней связи в диапазоне УКВ. В поле очень мощных радиоволн электроны столь сильно разогреваются, что возникает электрич. пробой газа.
Если размеры возмущённой полем волны области плазмы много меньше длины свободного пробега электронов, нагревная нелинейность становится слабой. Это имеет место при коротких импульсах и узких пучках радиоволн. В этом случае осн. роль играет т. н. стрикционная нелинейность, связанная с тем, что неоднородное перем. электрич. поле волны оказывает давление на электроны, вызывающее сжатие плазмы. Концентрация электронов N, а следовательно, e и s становятся зависящими от амплитуды поля. Стрикционная нелинейность приводит к изменению диэлектрич. проницаемости 
меньшей нагревного изменения 
на неск. порядков (при той же мощности волны). Стрикционная нелинейность играет важную роль в параметрич. неустойчивости ионосферы.
Распространение радиоволн в космических условиях. За исключением планет и их ближайших окрестностей, б. ч. вещества во Вселенной ионизована. Параметры космич. плазмы меняются в широких пределах. Например, концентрация электронов и ионов вблизи орбиты Земли ~1-10 см -3 , в ионосфере Юпитера ~10 5 см -3 , в солнечной короне ~10 8 см -3 , в недрах звёзд~10 27 см -3 . Из космич. пространства к Земле приходит широкий спектр электромагн. волн, к-рые на пути из космоса должны пройти через ионосферу и тропосферу. Через атмосферу Земли без заметного затухания распространяются волны двух осн. частотных диапазонов: «радиоокно» соответствует диапазону от ионосферных критич. частот wкr до частот сильного поглощения аэрозолями и газами атмосферы (10 МГц — 20 ГГц), «оптич. окно» охватывает диапазон видимого и ИК-излучения (1-10 3 ТГц). Атмосфера также частично прозрачна в диапазоне НЧ (
В космич. условиях источник радиоволн и их приёмник часто быстро движутся один относительно другого. В результате Доплера эффекта это приводит к изменению w на 
, где u — относит. скорость. Понижение частоты при удалении корреспондентов (красное смещение)свойственно излучению удаляющихся от нас далёких галактик. Радиоволны в космич. плазме подвержены рефракции, связанной с неоднородностью среды (рис. 14). Например, вследствие рефракции в атмосфере Земли источник радиоволн виден выше над горизонтом, чем в действительности. Для определения расстояния до пульсаров и при интерпретации результатов радиолокации Солнца и планет необходимо учитывать, что в космич. плазме
Рис. 14. Траектории радиолучей с l = 5 м в солнечной короне.
Возможности радиосвязи с объектами, находящимися в космич. пространстве или на др. планетах, разнообразны и связаны с наличием и строением их атмосфер. Если космич. плазма находится в магн. поле (магнитосфера Юпитера, области солнечных пятен, магнитосферы пульсаров), то она является гиротропной средой, подобно земной ионосфере. Для всех планет с атмосферами общая трудность радиосвязи состоит в том, что при входе космич. аппарата в плотные слои атмосферы вокруг него создаётся плотная плазменная оболочка, затрудняющая прохождение радиоволн. На планетах типа Меркурия и Луны, практически не имеющих атмосферы и ионосферы, на распространение радиоволн оказывает влияние только поверхность планеты. Из-за отсутствия отражения от ионосферы дальность связи вдоль поверхности такой планеты невелика (рис. 15) и может быть увеличена только при помощи ретрансляции через спутник.
Рис. 15. Зависимость дальности r радиосвязи на поверхности Луны от частоты w/2p.
Распространение радиоволн разных диапазонов
Радиоволны очень низких (3-30 кГц) и низких (30- 300 кГц) частот огибают земную поверхность вследствие волноводного распространения и дифракции, сравнительно слабо проникают в ионосферу и мало поглощаются ею. Отличаются высокой фазовой стабильностью и способностью равномерно покрывать большие площади, включая полярные районы. Это обусловливает возможность их использования для устойчивой дальней и сверхдальней радиосвязи и радионавигации, несмотря на высокий уровень атм. помех. Полоса частот от 150 до 300 кГц используется для радиовещания. Большое число геофиз. исследований выполняется путём наблюдений за сигналами естеств. происхождения, к-рые генерируются, например, молниевыми разрядами и частицами радиац. поясов Земли. Трудности применения этого частотного диапазона обусловлены громоздкостью антенных систем с высоким уровнем атм. помех, с относит. ограниченностью скорости передачи информации. На частотах ниже 100 КГц радиоволны распространяются медленнее скорости света, см. [8].
Средние волны (300-3000 кГц) днём распространяются вдоль поверхности Земли (земная, или прямая, волна). Отражённая от ионосферы волна практически отсутствует, т. к. волны сильно поглощаются в D-слое ионосферы. Ночью из-за отсутствия солнечного излучения D-слой исчезает, появляется ионосферная волна, отражённая от E-слоя, и дальность приёма возрастает. Сложение прямой и отражённой волн влечёт за собой сильную изменчивость поля, поэтому ионосферная волна — источник помех для мн. служб, использующих распространение земной волны. Ср. волны применяются для радиовещания, радиотелеграфной и радиотелефонной связи, радионавигации.
Короткие волны (3-30 МГц) слабо поглощаются D— и Е-слоями и отражаются от F-слоя, когда их частотымпч. В результате их отражения от ионосферы возможна связь как на малых, так и на больших расстояниях при значительно меньшем уровне мощности передатчика и гораздо более простых антеннах, чем в более низкочастотных диапазонах. Этот диапазон применяется для радиотелефонной и радиотелеграфной связи, радиовещания, а также для радиолюбительской связи. Особенность радиосвязи в этом диапазоне — наличие замираний (фединга) сигнала из-за изменений условий отражения от ионосферы и интер-ференц. эффектов. КВ-линии связи подвержены влиянию атм. помех. Ионосферные бури вызывают прерывание связи.
Для очень высоких частот и УКВ (30 — 1000 МГц) преобладает распространение радиоволн внутри тропосферы и проникновение сквозь ионосферу. Роль земной волны падает. Поля помех в НЧ-части этого диапазона всё ещё могут определяться отражениями от ионосферы, и до частоты 60 МГц ионосферное рассеяние продолжает играть значит. роль. Все виды распространения радиоволн за исключением тропосферного рассеяния, позволяют передавать сигналы с шириной полосы частот в неск. МГц. В этой части спектра возможно очень высокое качество звукового радиовещания при дальности 50-100 км. Радиовещание с частотной модуляцией работает на частотах вблизи 100 МГц.
В этом же диапазоне частот ведётся телевиз. вещание. Для радиоастрономии выделено неск. узких спектральных полос, к-рые используют также для космич. связи, радиолокации, метеорологии, кроме того, для любительской связи.
Волны УВЧ и СВЧ (1000-10 000 МГц) распространяются в осн. в пределах прямой видимости и характеризуются низким уровнем шумов. В этом диапазоне при распространении радиоволн играют роль известные области макс. поглощения и частоты излучения хим. элементов (например, линии водорода вблизи 1420 МГц). В этом диапазоне размещены многоканальные системы широкополосной связи для передачи телефонных и телевиз. сигналов. Высокая направленность антенн позволяет использовать низкий уровень мощности в радиорелейных системах, а тропосферное рассеяние обеспечивает дальность радиосвязи ~ 800 км. Этот диапазон применяют в радионавигац. и радиолокац. службах. Для радиоастрономич. наблюдений выделены полосы частот за атомарным водородом, радикалом ОН и континуальным излучением. В космич. радиосвязи полоса частот ~ 1000- 10 000 МГц — наиб. важная часть радиодиапазона.
Волны СВЧ (>10 ГГц) распространяются только в пределах прямой видимости. Потери в этом диапазоне неск. выше, чем на более низких частотах, причём на их величину сильно влияет кол-во осадков. Роет потерь на этих частотах частично компенсируется возрастанием эффективности антенных систем. СВЧ служат в радиолокации, радионавигации и метеорологии. На линиях связи между поверхностью Земли и космосом могут использоваться частоты < 20 ГГц. Для связи в космосе могут применяться значительно более высокие частоты. При этом отсутствуют взаимные помехи между космич. и некосмич. службами. Диапазон СВЧ важен также для радиоастрономии.
Литература по распространению радиоволн
- Долуханов М. П., Распространение радиоволн, 4 изд., М., 1972;
- Бреховских Л. М., Волны в слоистых средах, 2 изд., М., 1973;
- Гинзбург В. Л., Распространение электромагнитных волн в плазме, 2 изд., М., 1967;
- Татарский В. И., Распространение волн в турбулентной атмосфере, М., 1967;
- Гок В. А., Проблемы дифракции и распространения электромагнитных волн, М., 1970;
- Гуревич А. В., Шварцбург А. Б., Нелинейная теория распространения радиоволн в ионосфере, М., 1973;
- Железняков В. В., Электромагнитные волны в космической плазме, М., 1977.
- Хайдарров К.А. «О скорости электромагнитных волн», БИУВНТ, 2007.
П. А. Беспалов, М. Б. Виноградова
Знаете ли Вы, что релятивистское объяснение феномену CMB (космическому микроволновому излучению) придумал человек выдающейся фантазии Иосиф Шкловский (помните книжку миллионного тиража «Вселенная, жизнь, разум»?). Он выдвинул совершенно абсурдную идею, заключавшуюся в том, что это есть «реликтовое» излучение, оставшееся после «Большого Взрыва», то есть от момента «рождения» Вселенной. Хотя из простой логики следует, что Вселенная есть всё, а значит, у нее нет ни начала, ни конца. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.
Особенности распространения радиоволн
Историю открытия электромагнитных волн вы теперь знаете хорошо. Но что собой представляет электромагнитная волна, радиоволна, как она распространяется в пространстве, что влияет на распространение, какие волны и почему используются в радиотехнике — об этом предстоит узнать сейчас.
Как устроена электромагнитная волна? Очень просто — взгляните на рис. 10.7.
Рис. 10.7. Распространение электромагнитной волны
Мы уже знаем, что переменное электрическое поле рождает переменное магнитное поле и наоборот. Вспомните также детскую игру «хождение по болоту», когда участникам дают два маленьких коврика, на которые они должны наступать. Поэтому, чтобы совершать движение, нужно постоянно эти коврики передвигать — то один, то другой. Так и электромагнитная волна. Она напоминает отрезок цепи, в котором имеется два колечка, причем заднее колечко всегда норовит встать вперед. Колечко «Н» — магнитного поля, «Е» — электрического. Возникнув в пространстве, например «уйдя» с антенны, кольцо «Е» выдвинет вперед себя кольцо «Н», затем кольцо «Е» исчезнет. А кольцо «Н» выдвинет вперед себя кольцо «Е». Вот так электромагнитная волна распространяется в пространстве. Поскольку электромагнитную волну рождают только переменные поля, графическое представление волны несколько изменяют, переходя от «колец» к синусоидам (рис. 10.8).
Рис. 10.8. Физическая сущность электромагнитной волны
Вертикальное поле в данном случае — поле электрическое, горизонтальное — магнитное. Впрочем, положения полей могут быть и другими — например, электрическое поле может быть горизонтальным или наклонным. Это свойство называется поляризацией электромагнитной волны.
Конечно, амплитуда электрической и магнитной составляющих волны, распространяющейся в какой-нибудь среде, например в воздухе или в кирпичной кладке домов, постепенно уменьшается. Говорят, что в веществе электромагнитная волна постепенно затухает. Но в вакууме волна может распространяться без затухания неограниченно долго. Интересный пример в данном случае являет нам космическое реликтовое излучение, открытое совсем недавно. Как известно, появившаяся в 20-х гг. XX в. теория возникновения Вселенной в результате большого взрыва предполагала обнаружение в пространстве остатков этого процесса — электромагнитных волн. Сегодня реликтовое излучение обнаружено. Реликтовые электромагнитные волны прошли путь, равный миллиардам световых лет (!). Это — слепки молодой Вселенной, ее следы.
Но вернемся к делам земным. Чуть выше мы упоминали о том, что разработчики радиостанций постоянно стремились повысить излучаемую мощность. Эта мощность переносится электромагнитной волной. Как видно из рис. 10.8, компоненты электромагнитной волны — магнитная и электрическая — имеют колебательный характер, значит, в качестве характеристики волны можно ввести ее частоту. Однако, поскольку волна распространяется в пространстве, точки А и В, в которых колебания имеют одинаковую фазу, отстоят друг от друга на определенном расстоянии, очевидно, связанном с частотой. Понятно также, что скорость волны не равна бесконечности, а ограничена. Чем быстрее распространяется волна, чем больше будет ее скорость, тем дальше будут отстоять друг от друга точки А и В, тем меньше будет ее частота и больше длина. Очевидно, что частота, длина и скорость волны связаны между собой! Помните, еще в опытах Герца было выяснено, что скорость распространения электромагнитной волны равна скорости света. Чуть позже установили — в среде, отличной от вакуума, волна распространяется немного медленнее. Если обозначить скорость буквой с, частоту — f, а длину — λ, то получим простое соотношение для связи перечисленных характеристик:
λ = c/f
Точное значение скорости распространения электромагнитной волны в вакууме:
с = 2,997925·10 8 м/с.
Электромагнитные волны имеют очень широкий диапазон длин. Для того чтобы классифицировать волны по отличительным признакам и характерным особенностям, введена так называемая шкала электромагнитных излучений.
Изучая эту таблицу, можно сделать вывод, что видимый человеческим глазом свет тоже представляет собой электромагнитную волну, правда, имеющую частоту намного выше частоты радиоволн. Радиотехника никогда не «заползает» дальше диапазона радиоволн и очень редко пользуется низкочастотными волнами. Поэтому рассмотрим деление радиочастот согласно международному регламенту радиосвязи, которое приведено в табл. 10.2.
Наиболее широко в средствах связи и вещания используются диапазоны начиная от НЧ и заканчивая УВЧ. В диапазонах НЧ, СЧ, ВЧ и ОВЧ работают трансляционные передатчики, средства радиолюбительской и профессиональной связи, средства военной связи. Диапазон УВЧ используется для работы домашних мобильных телефонов, сотовой связи. Диапазон СВЧ отдан средствам космической связи, спутниковым системам телевещания, трансляции, передаче цифровых данных. Диапазон КВЧ — это диапазон работы радарных систем.
Диапазоны СНЧ, ИНЧ и ОНЧ использовать очень сложно, так как для эффективного излучения электромагнитных волн и их дальнего приема необходимы антенны, приближающиеся в своих размерах к длинам этих волн, то есть в десятки, сотни и даже тысячи километров. Мы знаем об этом из ответа Герца инженеру Губеру.
Однако люди научились использовать и эти диапазоны волн, причем совершенно неожиданно. Как вы думаете, насколько хорошо распространяются электромагнитные волны в морской воде, являющейся проводником электрического тока? Распространяются, но очень плохо. Чем выше частота волны, тем сильнее она поглощается морской водой, тем быстрее она затухает. По этой причине конструкторы подводных лодок были вынуждены отказаться от радиосвязи на глубине и придумывать разные хитрые способы с выбрасыванием на поверхность радиобуев. Но когда обнаружили, что электромагнитные волны очень низких частот слабо поглощаются морской водой, то разработали связь, впрочем, одностороннюю с лодкой в подводном положении. Для того чтобы принять сигнал, лодка разматывает буксируемую антенну длиной в десятки километров и принимает информацию, а затем антенну сматывает.
Радиопередающие средства этой системы связи могут впечатлить любого. По некоторым сведениям, американская антенна связи с подводными лодками занимает площадь целого штата. Она представляет собой сетку с размером ячеек около километра, закопанную в землю. Есть ли такая система связи в России, авторам неизвестно.
Радиовещательные диапазоны также имеют четкое деление, приведенное в табл. 10.3.
Поговорим теперь о распространении радиоволн в пространстве. Красноречивый пример, относящийся к 1930 г., позволит задать множество вопросов.
Эрнст Теодорович Кренкель (1903–1971), российский полярник, радист советских полярных станций и арктических экспедиций, а впоследствии — член редколлегии популярной серии книг «Массовая радиобиблиотека», находясь на Земле Франца-Иосифа, впервые установил на коротких волнах прямую двустороннюю связь с американской экспедицией Р. Бэрда, зимовавшей на шельфовом леднике Росса (Антарктида). Связь на 20 000 км долго оставалась мировым рекордом дальности. Как удалось Кренкелю связаться с противоположной точкой земного шара, излучая микроскопическую мощность в единицы ватт?
Еще один пример из жизни Кренкеля, о котором рассказывает Б. А. Кремер, относится к гибели теплохода «Челюскин» в арктических льдах и последующей зимовке на льду: «Аварийную станцию Кренкель монтировал в брезентовой палатке. В палатке было так же холодно, как и на улице, и работать было мучительно тяжело, Холодные плоскогубцы, нож, провода обжигали голые руки — не будешь же вести монтаж в рукавицах, и время от времени он вынужден был отрываться от дела, чтобы хоть немного отогреть закоченевшие пальцы в рукавах своей куртки. Первые попытки вступить в связь с какой-либо береговой радиостанцией не принесли успеха. Кренкель отчетливо слышал переговоры между радистами Уэлена и мыса Северного, но никто из них, несмотря на самое тщательное наблюдение за эфиром, маломощный рейдовый передатчик Кренкеля не слышал. Лишь наутро состоялась первая связь с Уэленом».
А вот пример необычного характера распространения электромагнитных волн, который приводит известный радиолюбитель-популяризатор Владимир Тимофеевич Поляков: «Интересный случай произошел с моим хорошим другом, радиолюбителем и полярником, на дрейфующей станции «Северный полюс». Как-то он захватил на зимовку портативный батарейный приемник «Океан» и, включив УКВ-диапазон, стал слушать передачу радиостанции «Маяк». Лишь спустя некоторое время он сообразил, что на Северном полюсе это невозможно! Тем не менее случай был, и, чем его объяснить, я не знаю».
Чтобы ответить на этот и другие вопросы, давайте познакомимся с основами науки с названием «Распространение радиоволн», рассмотрим строение атмосферы Земли и ее влияние на радиоволны разных диапазонов.
Впервые разницу в дневном и ночном приемах радиосигналов обнаружил Г. Маркони в 1902 г. В этом же году английский физик Оливер Хевисайд (1850–1925) сделал предположение, позже получившее полное экспериментальное подтверждение. Предположение заключалось в следующем: над поверхностью Земли, на высоте 60…2000 км атмосфера находится в особом состоянии. Газы на этой высоте под действием ионизирующего излучения Солнца переходят в ионизированное состояние. Поэтому описываемый слой, названный ионосферой, оказывает большое влияние на распространение радиоволн: она может поглощать радиоволны, может их отражать, а может пропускать беспрепятственно. Иногда ионосферу называют слоем Хевисайда.
Долгое время проводить исследования ионосферы представлялось затруднительным, и только в начале 1960-х гг., благодаря искусственным спутникам Земли, удалось досконально изучить механизмы ионизации. Оказывается, основным источником ионизации выступают ультрафиолетовые лучи Солнца и солнечная радиация. На ионосферу оказывает также влияние излучение удаленных звезд — это 0,1 % — не так много, но если учесть их удаленность…
Ионизирует атмосферу Земли и космическая пыль. К нерегулярным источникам ионизации относятся мощные корпускулярные потоки, которые возникают в периоды солнечной активности, и метеорные потоки.
Впервые серьезные исследования ионосферы провел в 20-х гг. XX в. англичанин Эдуард Виктор Эплтон. Занимаясь вопросами снижения электромагнитных помех во время приема, Эплтон заинтересовался различием ночных и дневных сеансов связи. Причину явления Эплтон назвал замираниями эфира.
Он доказал, что ночью радиоприемник принимает только волны, распространяющиеся вдоль земной поверхности, а ночью добавляются волны, отраженные от ионосферы. Также он впервые показал, что ионосфера не однородна, а состоит из слоев. Один из таких слоев, обозначаемых буквой F, носит название слоя Эплтона.
Каковы наши сегодняшние знания об ионосфере? Взгляните на рис. 10.9.
Рис. 10.9. Строение ионосферы
Сегодня мы абсолютно достоверно знаем, что ионосфера состоит из четырех слоев.
Слой D — самый низкий, он расположен на высоте 60…80 км и существует только в дневные часы. Ночью под действием механизма ионной рекомбинации слой D исчезает. Слой Е, расположенный на высоте 100… 150 км, имеет низкую концентрацию ионов и ночью также практически полностью исчезает. Самый верхний слой, обозначаемый, как F, в дневные часы распадается на два слоя — F1 и F2. Слой F, характеризуемый наибольшей ионной концентрацией, располагается на высоте 300…450 км в летнее время и 250…350 км в зимнее время. Основное влияние на распространение радиоволн оказывает слой F2.
Существует также слой Es, условно называемый спорадическим. Вообще это образование сложно назвать слоем, так как возникает спорадический слой нерегулярно. Он представляет собой скопление сильно ионизированных облаков, разделенных промежутками слабо ионизированного газа. Чаще всего этот слой возникает летом.
Радиоволны имеют интересную особенность — в неоднородных средах они распространяются не прямолинейно, а несколько изгибаются. Чем больше неоднородность среды, тем и изгибание их больше. Постоянно. преломляясь в ионосфере, электромагнитная волна может занять положение, параллельное земной поверхности, и даже вернуться на Землю. Если же отражающей способности ионосферы недостаточно, волна уходит в космическое пространство.
Чем больше длина волны, тем меньшая степень ионизации требуется для обеспечения нормального отражения радиоволны. И наоборот чем выше частота, тем труднее ионосфере преломлять волну. Свойство электромагнитной волны изгибаться под действием неоднородностей называется рефракцией. Есть еще одно свойство электромагнитной волны, которое называется почти так же — дифракцией, — но имеет совершенно другой физический смысл. Дифракция — это способность волн огибать препятствия (рис. 10.10).
Рис. 10.10. Дифракция радиоволн
Исследования показывают, что дифракционные свойства присущи радиоволнам любой длины, хотя по мере укорочения волны способность к дифракции резко падает.
Итак, в реальных условиях любая электромагнитная волна может попадать из точки излучения в точку приема двумя путями: огибая земную поверхность вследствие неоднородности атмосферы (поверхностная волна) и вследствие отражения от ионосферы (объемная волна), что показано на рис. 10.11.
Рис. 10.11. Распространение поверхностной и объемной волн
Земная поверхность проводит электрический ток, правда, недостаточно хорошо, и часть энергии волны при этом поглощается. Поглощение энергии резко возрастает с частотой. Поэтому длинные и средние волны распространяются поверхностным способом значительно дальше, чем волны более высоких частот. Чем короче волна, тем больше затухает пространственный луч и меньше — объемный.
Электромагнитные волны длинноволнового диапазона (ДВ) могут огибать земную поверхность при распространении на расстояния не более 3000 км. Отражение длинных волн от ионосферы наблюдается главным образом в ночные часы, когда ионная концентрация слабее и поглощение не столь велико. Поэтому дальность распространения длинных волн днем меньше, чем ночью.
К длинноволновому диапазону наиболее близко примыкает диапазон средних волн (СВ), испытывающий отражение от более высоких слоев ионосферы, — от верхних областей слоя Е и от слоя F1. Днем, при высокой ионной концентрации, объемный луч очень сильно поглощается ионосферой и возвращается на Землю настолько ослабленным, что его присутствие практически не сказывается на дальности приема. Поверхностная волна также сильно затухает из-за потерь в земле. Поэтому днем диапазон средних волн мало насыщен станциями. Ночью, когда концентрация слоя Е резко снижается, дальность распространения средних волн значительно увеличивается. Практически это означает, что днем средневолновый приемник может «поймать» только местные станции, а вечером и ночью можно слушать также европейские «голоса» (рис. 10.12).
Рис. 10.12. Разные волны по-разному реагируют на наличие ионосферы
Самым интересным является распространение волн коротковолнового (КВ) диапазона. Поверхностная волна диапазона КВ затухает очень быстро, зато очень медленно затухает объемная волна. Из-за этого волна, многократно отражаясь то от поверхности Земли (рис. 10.13), то от ионосферного слоя F, может вообще «пробежать» вокруг света и вернуться в точку излучения! Вот почему Кренкель смог установить коротковолновую связь с Южным полюсом, находясь на Северном, — в противоположной точке.
Рис. 10.13. Многократное отражение волн КВ диапазона
Коротковолновый диапазон, однако, таит в себе массу «подводных камней», массу неудобств. Во-первых, изменчивость условий распространения, диктуемая земной атмосферой, во-вторых, существование зоны молчания (зоны тени), где поверхностной волны уже нет, а объемная «перепрыгивает» это место (рис. 10.14).
Рис. 10.14. Зона тени при излучении волн КВ диапазона
Чем короче волна, тем шире зона молчания, так как объемный луч слабее преломляется и возвращается на Землю дальше от передатчика.
Еще один недостаток коротких волн — наличие ощутимых замираний, когда неожиданно принимаемая станция начинает звучать тише, а то и вообще пропадает. В диапазоне средних волн, впрочем, замирания не так заметны. Природа замираний — сложение в противофазе нескольких объемных лучей, попадающих в точку приема разными путями. В результате явления, называемого интерференцией, две волны могут скомпенсировать друг друга, получив нулевой результат. До определенной степени борьба с замираниями возможна введением в приемник системы автоматической регулировки усиления (АРУ), идея которой была реализована еще в начале 30-х гг. XX в.
Волны УКВ-диапазона практически не огибают земной поверхности и не испытывают отражения от ионосферы. Другими словами, УКВ волны обладают слабыми дифракционными и рефракционными свойствами в отношении земной поверхности. Поэтому они распространяются только поверхностной волной, в пределах прямой видимости, при сильном поглощении энергии поверхностью Земли. Эта особенность распространения УКВ волн заставляет строить высокие антенны. Беспредельно наращивать мощность передатчика здесь уже не имеет смысла, так как таким методом не обеспечить увеличения «дальнобойности» вещания. Чтобы передавать сигнал за зону прямой видимости, в технике УКВ связи используются ретрансляторы — так называемые радиорелейные линии.
Свойство УКВ волн проникать через ионосферу используется в технике космической связи. УКВ волны диапазона 4… 10 м вообще-то могут испытывать отражение от спорадического слоя Es и от слоя F2 в годы максимальной солнечной активности, распространяясь на большие расстояния. Однако это явление носит случайный характер и не учитывается при проектировании радиовещательного оборудования. На распространение ультракоротких волн сильное влияние оказывает тропосфера — нижний слой атмосферы на высоте 10… 14 км. Тропосфера обладает большой неоднородностью, вследствие чего дальность распространения УКВ волн может как уменьшиться, так и увеличиться. Тропосферное распространение волн характеризуется высокими показателями рефракции. Еще одно интересное явление, могущее возникнуть в тропосфере, — это сверхрефракция (рис. 10.15).
Рис. 10.15. Явление сверхрефракции УКВ радиоволн
Благодаря ей в тропосфере может возникнуть волновод, напоминающий длинную изогнутую трубу, по которой УКВ волна распространяется на расстояния более 1000 км — в 10 раз больше по сравнению с обычной дальностью распространения. УКВ волны могут также распространяться за счет сверхрефракции при наличии сильной неоднородности в ионосфере, возникающей при прохождении метеорных потоков. Но обольщаться не стоит: сверхрефракция — тоже случайное и нестабильное состояние атмосферы.
Читатели спросят: «Если УКВ радиоволны имеют столько недостатков, не проще было бы отказаться от их использования?» Оказывается, только на УКВ возможна организация многоканальной сотовой связи с большим количеством одновременно работающих каналов. Только на УКВ возможно высококачественное музыкальное стереовещание. Наконец, только в УКВ-диапазоне могут работать современные телевизионные системы.
Волны СВЧ и КВЧ-диапазона отражаются даже от небольших предметов и чаще всего возвращаются в точку приема. На основе данного открытия и строятся все радиолокационные системы (рис. 10.16).
Рис. 10.16. Радиолокационная система
К недостаткам волн этого диапазона следует отнести их поглощение гидрометеорами — дождем, снегом, градом, туманом. Волны диапазона КВЧ вдобавок ко всему поглощаются молекулами кислорода и водяными парами. Чтобы радарные системы работали эффективно, приходится излучать большие мощности, разрабатывать достаточно сложные схемные и конструктивные решения такой аппаратуры. Но сегодня от радаров отказываться рано, поскольку они — основное средство морской и летной навигации, противовоздушной обороны.
Распространение радиоволн — очень серьезная и сложная наука, которой занимаются ученые всего мира. В России этой проблемой занимается институт земного магнетизма и распространения радиоволн (ИЗМИРАН), расположенный в Московской области. Институт регулярно публикует прогнозы распространения радиоволн, предназначенные как для профессиональных связистов и навигаторов, так и для радиолюбителей.
Почему радиосигнал идет со скоростью света? Получается, что радиосигнал — это свет?
Моя бывшая вела себя как мужик, это значит что у неё должны расти мужские органы? Нет! Вот сравнение. Если движется со скоростью света, это не значит, что это свет. Скорость света- сравнительная единица, не более.
Корость не влияет на физические показатели объекта.
Природа явления одна.
Свет это частица, а сигналы это звук звук не частица.
Что такое свет? Я понимаю так — это электромагнитное излучение в частотном диапазоне, доступном для видения глазом. Радиосигнал — такое же электромагнитное излучение, только частота недоступная для видения глазами. Вот и вся принципиальная разница. Чегоб им не иметь близкие скорости распространения?
Да, это тоже самое.
И то, и другое – электромагнитная волна. Только разной частоты. Для условного вакуума скорость одинакова. В иных случаях она будет зависеть от магнитной и диэлектрической проницаемости среды..
Нет. Радиоволны не светятся.
Радиоволны и свет имеют одну и ту же природу — электромагнитные колебания. Просто у света частота намного выше, чем у радиоволн.
Волна не имеет массы, но несет энергию, как и свет, электрон в этом случае отстает от скорости света, он обладает массой.
и радиосигнал, и свет — это электромагнитные волны
1). Нет! Не свет!
2). Скорость одинаковая! Сущность разная!
Смотря в какой среде 🙂
Скорость света в вакууме постоянная, а в воздухе он движется медленнее. А в воде ещё медленнее, аж на треть.
как радиосигнал распространяется в вакууме?
Как радиосигнал распространяется в вакууме? Странный вопрос. Электромагнитные колебания распространяются через пустоту, естественно. А через чо вы думаете?
Через среду, которая называется эфир? Но, теорию эфира давно похоронили. А новой теории пока нету. Так, что этот сурьезный вопрос пока висит в воздухе.
Остальные ответы
Подобно свету.
Очень просто, он переносится частицами фундаментальными бозонами. Раньше предполагали, что вакуум заполнен эфиром, который и переносит колебания электромагнитного поля.
Эти фундаментальные бозоны называются фотонами.
Поскольку радиосигнал от светового отличается лишь частотой, переносчики у них одинаковые.
с помощью электромагнитного поля
Электромагнитные волны (радиоволны) распространяются в разных средах с разной скоростью. Скорость распространения радиоволн в вакууме приблизительно равна скорости света 300 000 км/сек. В воздухе радиоволны распространяются с чуть меньшей скоростью, но не на много, поэтому принимается та же цифра – 300 000 км/сек. Поскольку обыкновенная вода обладает электропроводностью, то её поверхность для радиоволн является отражателем, а часть энергии радиоволн тратится на нагрев поверхностных слоев воды. Типичным примером этому является микроволновая печь, разогревающая молекулы воды, содержащиеся в подогреваемой пище. Металлы не пропускают радиоволны, отражая всю энергию электромагнитных колебаний.
Немаловажным, являются свойства радиоволн распространяться в зависимости от их длины волны. Напомню, длина электромагнитной волны связана с частотой колебаний через скорость её распространения в вакууме (скорость света) :
где: f – частота, λ – длина волны, с – скорость света, равная 300 000 км/сек.
Радиоволны подразделяются на несколько диапазонов:
Сверхдлинные «СДВ» – частотой 3 – 30 кГц, с длиной волны 100 — 10 км;
Длинные «ДВ» – частотой 30 – 300 кГц, с длиной волны 10 — 1 км;
Средние «СВ» – частотой 300 – 3000 кГц, с длиной волны 1000 — 100 метров;
Короткие «КВ» – частотой 3 – 30 МГц, с длиной волны 100 — 10 метров;
Ультракороткие «УКВ», включающие:
— метровые «МВ» – частотой 30 – 300 МГц, с длиной волны 10 — 1 метра;
— дециметровые «ДМВ» – частотой 300 – 3000 МГц, с длиной волны 10 — 1 дм;
— сантиметровые «СМВ» – частотой 3 – 30 ГГц, с длиной волны 10 — 1 см;
— миллиметровые «ММВ» – частотой 30 – 300 ГГц, с длиной волны 10 — 1 мм;
— субмиллиметровые «СММВ» – частотой 300 – 6000 ГГц, с длиной волны 1 – 0,05 мм;
Диапазоны от дециметровых, до миллиметровых волн, из-за их очень высокой частоты называют сверхвысокими частотами «СВЧ».