Глава пятая. Изучение поглощения и «ветров» в ионосфере

Выше уже говорилось, что в процессе распространения радиоволн в ионосфере они испытывают поглощение. Физически поглощение объясняется столкновением колеблющихся электронов с более тяжелыми молекулами и ионами газа. В результате радиоволна теряет часть своей энергии на тепловое движение молекул. Математический анализ явления поглощения приводит к тому, что ионосферу можно представлять как среду, обладающую некоторой проводимостью. Оказывается, что при некоторых предположениях величина удельной проводимости прямо пропорциональна числу столкновений электронов с молекулами или ионами и обратно пропорциональна квадрату частоты радиоволны. Исследования показали, что наибольшее поглощение радиоволн происходит в нижних (D и Е) областях ионосферы. Объясняется это тем, что в более низких слоях ионосферы плотность воздуха больше, т. е. количество молекул в каждом кубическом сантиметре воздуха больше. Поэтому вероятность столкновения электронов с молекулами, а следовательно, и поглощение возрастают.

Поглощение радиоволн в ионосфере сильно влияет на работу коротковолновых линий связи, поэтому при их проектировании всегда стремятся к таким условиям, чтобы поглощение было минимально возможным. Тогда при малой мощности передатчика можно получить хорошую радиосвязь на очень больших расстояниях. Для этого всегда стремятся работать на максимально возможной частоте. Однако в моменты возмущений в ионосфере наблюдается иногда резкое увеличение поглощения, ведущее к прекращению радиосвязи. Часто в такие моменты обслуживающий персонал радиостанций ошибочно предполагает, что нарушение связи произошло из-за неисправности аппаратуры.

Очевидно, что изучение процессов, происходящих в ионосфере и влияющих на поглощение, имеет важное практическое значение.

Один из методов изучения поглощения радиоволн в ионосфере — наблюдение за величиной амплитуды отраженного от ионосферы сигнала при помощи станции вертикального зондирования. Ионосферная станция снабжается соответствующими приставками, позволяющими регистрировать отраженные от ионосферы импульсы. Измерения ведут круглосуточно на одной или нескольких фиксированных частотах при одинаковой мощности передатчика и чувствительности приемного устройства.

Этот метод измерения обладает значительными недостатками. Во-первых, он дает возможность измерить лишь среднее значение поглощения для всей трассы радиоволн в ионосфере. Во-вторых, с его помощью можно получить сведения лишь о нижней «половине» ионосферы, т. е. только до высоты максимума слоя F2, от которого происходит отражение радиоволн. Измерить поглощение радиоволн ионосферой, расположенной выше максимума слоя F2, этот метод не позволяет.

Другой метод измерения поглощения — использование радиоизлучения Галактики. Благодаря успехам радиоастрономии в последние годы были обнаружены и изучены источники космического радиоизлучения. Установлено исключительное постоянство радиоизлучения, приходящего из Галактики, которое используют для измерения поглощения радиоволн в ионосфере.

На рис. 16 приведена блок-схема установки для измерения поглощения. Антенну типа «волновой канал» направляют на центр Галактики, где имеется максимальное радиоизлучение. От антенны сигнал поступает в приемник с узкой полосой пропускания и очень большой чувствительностью. Продетектированные сигналы подаются на самописец, записывающий их на ленту. О поглощении радиоволн в ионосфере судят по записям сигнала на ленте самописца. В моменты сильного возрастания поглощения наблюдаются резкие уменьшения амплитуды сигнала.

Рис. 16. Блок-схема установки для измерения поглощения в ионосфере.

При измерениях усиление приемника все время остается постоянным. Для контроля за коэффициентом усиления приемника используют генератор шума, выполненный на шумовом диоде, позволяющий поддерживать постоянный уровень шумов в широком спектре частот. Время от времени приемник калибруют по шумовому генератору. Для этого приемная антенна отключается и на вход приемника подается сигнал от шумового генератора. Амплитуда шумового сигнала на выходе приемника всегда должна оставаться постоянной.

Этим методом измеряют поглощение на частотах метрового диапазона радиоволн. Объясняется это тем, что эти частоты не отражаются ионосферой и проходят сквозь нее. Более высокие частоты использовать нельзя, так как собственный уровень шумов приемника на этих частотах становится выше уровня космического радиоизлучения. Этот способ измерения поглощения, как и предыдущий, позволяет определять среднее значение поглощения для всей толщи ионосферы.

В последние годы число столкновений электронов с молекулами, а следовательно, и поглощение стали измерять прямыми методами с помощью аппаратуры, установленной на ракетах. Получены экспериментальные данные об изменении числа столкновений до высоты примерно 80 км. Существующая измерительная аппаратура оказывается недостаточно чувствительной, чтобы определить число столкновений на больших высотах, так как с увеличением высоты резко уменьшается число столкновений.

Кроме поглощения, на распространение радиоволн оказывают заметное влияние неоднородности в ионосфере в виде отдельных образований с повышенной электронной концентрацией. Часто их называют электронными облаками. Они «могут иметь разные размеры, различную концентрацию электронов и различное распределение электронной концентрации в пределах облака, а поэтому и различно воздействуют на проходящие через них сигналы.

В результате исследований неоднородностей было установлено, что в ионосфере могут появляться неоднородные образования больших размеров в виде спорадических слоев. Размеры этих образований значительно превосходят длину радиоволны, распространяющейся в ионосфере. Помимо крупных неоднородностей, в ионосфере почти всегда существуют мелкие неоднородности. Они всегда находятся в состоянии быстрых изменений, так как продолжительность существования каждой из них мала. Такие облака быстро распадаются благодаря диффузии газов, которая проявляется тем сильнее, чем больше высота.

При отражении радиоволн от ионосферы на основную волну, отраженную от ионосферы, накладываются дополнительные волны, которые образуются в результате рассеяния их на электронных облаках. Так как последние непрерывно изменяются, то фазы и амплитуды рассеянных сигналов в месте расположения приемных антенн будут также непрерывно изменяться. Результирующее поле в месте приема будет определяться как геометрическая сумма вектора напряженности поля основной волны и векторов напряженности поля дополнительных, рассеянных волн. Следовательно, при движении электронного облака амплитуда результирующего сигнала в приемной антенне будет меняться, принимая максимальные и минимальные значения. Говорят, что имеются замирания принимаемого сигнала. На экране осциллографа в этом случае можно увидеть непрерывные изменения амплитуды результирующего сигнала.

Замирания сигнала из-за ионосферных неоднородностей называют иногда дифракционными замираниями. Они отличаются от поляризованных замираний, которые появляются в результате непрерывных изменений поляризации радиоволн при их отражении от ионосферы.

Оказывается, что скорость перемещения электронных облаков, или «ветер» в ионосфере, находится в непосредственной связи с характером дифракционных замираний. Анализируя статистические свойства дифракционных замираний, можно определить скорость «ветра» в ионосфере.

На рис. 17 показано распространение радиоволн при неоднородностях в ионосфере. Помимо сигнала, отраженного от слоя F2 (сплошная линия), в пункт приема Б приходят сигналы, отраженные неоднородностями (штриховые линии). При перемещении неоднородностей изменяется длина пути отраженного от неоднородности сигнала. При этом меняются фаза сигнала и амплитуда результирующего поля в точке приема.

Появление в ионосфере неоднородностей сопровождается характерными искажениями импульсных сигналов. Эти искажения проявляются в изменении ширины импульса. Передаваемый импульсный сигнал получает расплывчатую форму. Объясняется это тем, что сигналы, отраженные от неоднородностей, оказываются сдвинутыми по времени относительно прямого, так как длина пути этих сигналов разная.

О причинах образования в ионосфере крупных неоднородностей пока нет единого мнения. Некоторые исследователи считают, что образование неоднородностей в виде облаков происходит во время заката Солнца, в моменты появления спорадического слоя Еs, а так же во время усиленной грозовой деятельности. Во время захода Солнца в слое Е происходит резкое уменьшение электронной концентрации. Полагают, что в слое Е при быстром уменьшении интенсивности ионизации возникают нестационарные процессы, приводящие к возникновению неодородных участков электронной концентрации слоя, т. е. к электронным облакам. Подобные условия возникают и при затмении Солнца.

При усиленной грозовой деятельности электрические поля грозовых туч вызывают ионизацию на уровне слоя Е. Это ведет к образованию местных спорадических образований в виде электронных облаков. Высказывается мнение, что в образовании неоднородностей в слое Е может участвовать также и метеорная пыль, попадающая в ионосферу.

Рис. 17. Распространение радиоволн при неоднородностях в ионосфере.

Одним из методов исследования неоднородностей является измерение частотного распределения замираний амплитуд отраженных от ионосферы сигналов. Анализ результатов таких намерений позволяет определить пространственные размеры неоднородностей по высоте. Такие измерения можно проводить при помощи описанной ионосферной станции вертикального зондирования. С помощью специального приспособления на такой станции записывают амплитуды отраженных от ионосферы импульсов в течение короткого времени, например 10 мин. Одновременно проводят зондирование ионосферы импульсами двух или трех различных частот. Отраженные сигналы для разных частот записывают на одной и той же ленте самописца. Предполагается, что в процессе измерений состояние ионосферы не меняется.

Если на трассе распространения волны попадаются неоднородности, то поле, рассеянное этими неоднородностями, изменяет величину сигнала, отраженного от ионосферного слоя. Очевидно, для радиоволн разных частот одна и та же неоднородность будет создавать разное рассеянное поле и величина сигнала для разных частот будет разная. Анализируя статистические свойства сигналов двух разных частот, можно сделать вывод о размерах неоднородностей.

Как показали исследования, в период спокойного состояния ионосферы в ней преобладают неоднородности, средние вертикальные размеры которых находятся в пределах от 100 до 700 м. Аналогичные измерения горизонтальных размеров позволили установить, что их средняя величина колеблется от 100 до 1 000 м.

Рис. 18. Схема расположения антенн для измерения «ветров» в ионосфере.

Для измерения направления «ветров» в ионосфере отраженные от нее сигналы принимают на три разнесенные антенны. На рис. 18 показан пример расположения антенн по сторонам равнобедренного прямоугольного треугольника. Длина каждого катета составляет 190 м. Один из катетов расположен в направлении север — юг. Сигналы от каждой антенны поступают на электронный переключатель станции, блок-схема которой показана на рис. 19,а. Переключатель со скоростью 1/50 сек подключает каждую из приемных антенн ко входу приемника, с выхода которого сигналы подаются на самописец для записи всех трех сигналов на одну ленту. Образец такой записи показан на рис. 19,б.

Рис. 19. Блок-схема аппаратуры для измерения «ветров» в ионосфере (а) и образец записи принимаемых сигналов (б).

На верхней части записи даны кривые изменения амплитуд сигналов, принятых на две антенны, расположенные в направлении север — юг. На нижней части записи приведена кривая изменения амплитуды сигнала, принятого на третью антенну. Из рисунка видно, что формы всех кривых подобны друг другу. Однако кривая 1 с записью сигнала от антенны 1 (рис. 18) сдвинута относительно кривой 2. О величине сдвига можно судить по меткам времени, которые показаны в нижней части рисунка. Каждая метка наносилась через 2 сек. Следовательно, величина временного сдвига кривой 1 по отношению к кривой 2 составляет примерно 1 сек, т. е. в антенне 2 сигнал принимался на 1 сек раньше, чем в антенне 1. Так как расстояние между антеннами равно 190 м, то скорость перемещения неоднородностей в ионосфере равна 95 м/сек. При этом направление движения происходит с севера на юг.

В результате исследования «ветров» установлено, что в области Е скорость «ветра» изменяется от 30 до 150 м/сек. Установлено также, что в области Е скорость увеличивается на 3 м/сек с увеличением высоты на 1 км. Были обнаружены также приливы солнечного и лунного происхождения. Во время приливов скорость «ветра» может изменяться на 25—35 м/сек. Неоднородности могут перемещаться в разных направлениях, однако с запада на восток или в обратном направлении они перемещаются чаще.

В области F2 скорости «ветра» в ионосфере достигают 300— 500 м/сек. Обнаружено, что скорости зависят от магнитной активности поля Земли и мало изменяются с высотой. Влияние приливных движений в этой области не установлено, а направление движения и скорости имеют некоторый суточный и сезонный характер.

В ионосфере часто встречаются не только очень крупные неоднородности размерами 2—10 км и даже 300—500 км, но также и очень малые. Последние имеют вихревое происхождение и служат источником рассеяния ультракоротких радиоволн на высотах 60— 80 км над поверхностью Земли. Явление рассеяния УКВ на неоднородностях нижних слоев ионосферы используется для создания линий дальней радиосвязи на УКВ.