Тропосферный волновод

Под влиянием тропосферы УКВ могут распространяться и на большие расстояния — вплоть до 1000 км, однако такое распространение происходит либо нерегулярно, либо для работы радиолиний требуется специальная сложная аппаратура.

Основными факторами, способствующими дальнему распространению УКВ в тропосфере, являются повышенная рефракция радиоволн, отражение от слоистых неоднородностей тропосферы и рассеяние турбулентными неоднородностями тропосферы. Большей частью эти факторы действуют одновременно, и трудно разделить их влияние.

Иногда в тропосфере создаются такие условия, что коэффициент преломления изменяется с высотой необычно. Например, после захода солнца поверхность Земли быстро охлаждается; охлаждаются и нижние слои воздуха, верхние же слои еще остаются нагретыми. Значит, температура воздуха в этом случае не убывает, а возрастает с высотой и коэффициент преломления убывает с увеличением высоты более резко, чем при нормальной рефракции.

Резкое убывание коэффициента преломления тропосферы с высотой наблюдается часто над водной поверхностью: вблизи воды влажность воздуха велика и резко убывает с изменением высоты. Возможно и обратное явление: ветер принес холодный воздух с моря, вблизи же Земли воздух остался теплым. Тогда температура убывает с высотой быстрее, чем обычно, а коэффициент преломления убывает с высотой медленнее, чем обычно, или может даже возрастать.


Рис. 46. Различные случаи атмосферной рефракции.

На рис. 46 схематически показано, как при различных видах изменений коэффициента преломления с высотой меняется кривизна траектории волны.

На рис. 46, а показана нормальная тропосферная рефракция. Коэффициент преломления меняется при этом на 4·10-15 при подъеме на каждые 100 м. Траектория радиоволны представляет собой дугу окружности радиусом 25 000 км, обращенную выпуклостью вверх. На рис. 46, б показана отрицательная тропосферная рефракция, когда коэффициент преломления возрастает с высотой. Траектория луча обращена выпуклостью вниз, и волна удаляется от земной поверхности быстрее, чем при нормальной рефракции. Это приводит к уменьшению напряженности поля на данном расстоянии и к уменьшению дальности распространения УКВ. Если при нормальной рефракции был возможен прием радиоволн где-то на границе прямой видимости, то при появлении отрицательной рефракции прием в данном месте станет невозможным.

На рис. 46, в представлена положительная тропосферная рефракция, когда коэффициент преломления убывает с высотой быстрее, чем при нормальной рефракции. Траектория волны обращена при этом выпуклостью вверх и имеет меньший радиус кривизны. Если показатель преломления изменяется с высотой больше чем на 16·10-6 на каждые 100 м, то траектория луча станет настолько изогнутой, что волна получит возможность вернуться на земную поверхность, такое явление называется сверхрефракцией. В случае положительной рефракции напряженность поля на данном расстоянии от передатчика увеличивается и увеличивается дальность распространения радиоволн.

Положительная рефракция и сверхрефракция радиоволн наблюдаются обычно в антициклонную погоду при вечернем охлаждении почвы и наиболее часто в теплое время года.

Рефракционные свойства тропосферы меняются сравнительно медленно, поэтому поле, обусловленное повышенной рефракцией, оказывается достаточно устойчивым, без глубоких замираний.

Когда область сверхрефракции простирается на значительные расстояния над земной поверхностью, то в этом районе УКВ могут быть приняты на весьма больших расстояниях от передатчика. Распространение УКВ в этом случае происходит следующим образом: вернувшийся на Землю луч отражается от земной поверхности, затем рефрагирует в тропосфере и снова возвращается на Землю, радиоволна распространяется путем последовательного отражения от тропосферы и поверхности Земли. Это явление напоминает распространение радиоволн в металлическом волноводе и поэтому получило название тропосферного волновода. В отличие от металлического волновода стенки тропосферного волновода полупрозрачны. Только часть энергии волны отражается в тропосфере, а часть, преломляясь, проходит через нее и не возвращается на Землю.

При одних и тех же условиях рефракции более короткие волны лучше отражаются и меньше просачиваются сквозь «стенки» тропосферного волновода. Для тропосферного волновода определенной высоты hв по аналогии с металлическим имеется некоторая критическая длина волны λкр Волны длиннее критической быстро затухают и не распространяются в волноводе:

$$
\begin{equation}
\lambda_\text{кр}=0,085\thinspace h_\text{в}^{\frac{3}{2}}
\tag{24}
\end{equation}\label{eq.24}
$$

где λкр, см; hв, м.

Поэтому распространение радиоволн в условиях тропосферного волновода наблюдается чаще всего на дециметровых и сантиметровых волнах и реже на метровых.

Размеры тропосферного волновода должны во много раз превосходить длину волны. Так, для сантиметровых волн необходим волновод высотой 30—35 м.


Рис. 47. Распространение УКВ в условиях атмосферного волновода.

Рис. 47 иллюстрирует распространение УКВ в условиях тропосферного волновода; рис. 47, а соответствует случаю так называемого приземного волновода, когда непосредственно у поверхности земли создались условия сверхрефракции и только на некоторой высоте рефракция становится нормальной. Уровень, до которого продолжается сверхрефракция, является высотой волновода.

Рис. 47, б соответствует случаю приподнятого волновода, когда рефракция у поверхности земли до некоторой высоты нормальна, затем на некотором участке возникает сверхрефракция (это и есть волновод) и затем рефракция снова нормальна. Роль верхней и нижней стенок волновода играет тропосфера. Волна распространяется в волноводе, отражаясь от верхней и нижней воздушных стенок волновода.

В условиях волноводного канала отражения волн от его стенок имеют место только при пологих траекториях их распространения (2 и 3 на рис. 47, а, б), а при более крутых (1) волны просачиваются сквозь стенки.

Теоретически возможность распространения УКВ в условиях волноводного канала была установлена советским ученым П. Е. Краснушкиным в 1943 г. Дальнейшее развитие теория тропосферного волновода получила в работах В. А. Фока.

Влияние волноводного канала на распространение УКВ неоднократно тщательно исследовалось. С этой целью проводились наблюдения за напряженностью поля УКВ на трассах протяженностью 200—300 км. Одновременно тщательно исследовались метеорологические условия на разных высотах над поверхностью Земли (при помощи приборов, установленных на воздушных шарах или самолетах). Причем если метеорологические измерения ведутся в средней части пути, то результаты метеорологических измерений точно совладают во времени с изменением напряженности поля. На основании метеорологических данных можно делать прогнозы распространения УКВ. Исследование влияния атмосферных условий на распространение УКВ по изменению условий распространения позволяет судить об изменениях в атмосфере и использовать это для прогнозирования погоды.

Во всех ли случаях появление тропосферного волновода улучшает условия работы УКВ радиолинии? Оказывается, бывают случаи, когда при появлении атмосферного волновода работа радиолинии полностью нарушается. Так, например, когда на побережье Австралии впервые установили радиолокационные установки, то обнаружилось, что часто сильно увеличивалась дальность «видимости» станций для объектов, находящихся на морской поверхности, и в то же время станции, следящие за самолетами, переставали обнаруживать их при сравнительно небольших расстояниях. Для исследования причин сокращения видимости радиолокационных установок, следящих за самолетами, были проведены специальные наблюдения. Самолет совершал полет в сторону моря на расстояние до 200 км, то поднимаясь до 1000 м над уровнем моря, то снижаясь до бреющего полета. В это время работала береговая радиолокационная станция на частоте 200 МГц и велись метеорологические наблюдения, позволившие определить изменение коэффициента преломления тропосферы с высотой.


Рис. 48. Работа радиолокационной станции в условиях атмосферного волновода.

На рис. 48 сплошной линией нанесена трасса полета самолета. На тех участках трассы, где самолет отмечался станцией, показаны штрихи, пропорциональные интенсивности принятого сигнала. Пунктирными линиями отмечены границы волновода, построенные на основании метеорологических измерений.

Из рис. 48 следует, что в области ниже и внутри тропосферного волновода самолет обнаруживался на расстояниях свыше 150 км. Когда же самолет поднимался выше тропосферного волновода, то станция не могла его обнаружить даже на небольшом расстоянии. Исключение составляет первый участок пути, где самолет находился в области проникновения волн, излученных антенной радиолокационной станции.

Таким образом, в присутствии тропосферного волновода дальность действия самолетной радиолокационной станции может сократиться. Бороться с этим можно либо путем увеличения излучаемой мощности, либо путем понижения рабочей частоты. При удлинении волны большая часть энергии просачивается сквозь стенки волноводного канала и, следовательно, он оказывает меньшее влияние.

Интересный материал для изучения влияния атмосферных волноводов на распространение радиоволн дают радиолюбители. Дальние любительские радиосвязи наблюдались в ясную антициклонную погоду. Возможность дальних связей отмечалась иногда в течение 2—3 дней подряд. На волнах сантиметрового диапазона наблюдались связи на расстоянии до 1000 км. На волнах длиной 5—10 м волноводное распространение наблюдается редко.

Когда возможен сверхдальний тропосферный прием? Большинство наблюдений показано, что чаще всего такой прием имеет место во время антициклона, главным образом летом во второй половине дня или вечером. Но некоторые наблюдатели отмечали появление атмосферных волноводов зимой или в утренние часы. По-видимому, на различных трассах в разных климатических условиях благоприятные условия для образования атмосферных волноводов могут появляться в разное время.

Просматривая журнал «Радио», где под заголовком «Тропо» регулярно сообщаются сведения о дальних тропосферных связях радиолюбителей, можно проследить такие закономерности. Наиболее часто дальнее тропосферное распространение наблюдается в западных областях страны — Белоруссии, Смоленской, Брянской областях. Но это же явление имеет место в Тульской, Рязанской, Костромской и ряде других областей.

Осенью 1976 г. ярко выраженное тропосферное распространение наблюдалось 19—22 октября в Минской области. В эти же дни радиолюбители Смоленска устанавливали дальние радиосвязи на расстояния до 300—900 км. В августе 1979 г. отмечались частые случаи дальнего тропосферного распространения в западных областях Советского Союза. В это время в Смоленской области работала команда спортсменов ультракоротковолновиков из Москвы, которым удалось установить на волнах частотой 144 и 430 МГц дальние радиосвязи с Ленинградом, Украиной и другими областями в радиусе 600—730 км.

Радиолюбители заметили, что для тропосферного распространения характерна лучшая слышимость при меньших расстояниях. На частоте 430 МГц слышимость бывает лучше, чем на частоте 144 МГц. Это объясняется тем, что, как отмечалось ранее, для распространения более коротких волн условия сверхрефракции должны выполняться на меньшем интервале высот, что наблюдается чаще. Пользуясь формулой (24), можно подсчитать, что для волн частотой 144 МГц высота волновода должна быть не менее 400 м, а для волн частотой 430 МГц — может не превосходить 100 м. Переход к еще более высоким частотам увеличит число случаев дальнего тропосферного распространения УКВ. Радиолюбители ФРГ, Англии, США, работающие на частотах 1215 МГц, 10 ГГц, отмечают частые случаи дальних тропосферных связей на расстоянии до 500, а иногда и до 1000 км.

Понятно, что при разнообразных климатических условиях нашей обширной страны в разных районах различно и время появления условий, благоприятных для сверхдальнего распространения. Только радиолюбители могут помочь широкому изучению этого интересного явления.