Самый простой путь распространения волн, отраженных от ионосферы, — односкачковый. Дальность распространения при этом получается до 4000 км. Более сложный путь распространения — многоскачковый, когда волна несколько раз переотражается ионосферой, затем Землей, еще раз ионосферой, и т. д. Особенно малые потери мощности сигнала получаются при рикошетирующем распространении, когда радиоволны возвращаются на Землю, несколько раз переотразившись от ионосферы. Наиболее благоприятные условия для возникновения рикошетирующих волн возникают в утренние и вечерние часы, когда слои ионосферы наклонны к горизонту. Напомним, что на ночной стороне Земли высота слоев больше, чем на дневной.
Короткие волны могут распространяться на любые расстояния.
На КВ неоднократно наблюдали кругосветное эхо, когда сигнал, посланный с помощью направленной антенны на восток, приходит снова к месту расположения передатчика с запада. Время запаздывания кругосветного эхо составляет около 0,14 с. Полагают, что число отражений волны от ионосферы при кругосветном эхо достигает 12–14. Разговор о «чудесах» коротких волн можно продолжать долго. Вот, к примеру, любопытное явление: «зона молчания», или «мертвая зона». Пусть мы вылетели на самолете (или вышли на корабле, кому как нравится) из города, где работает КВ радиостанция, и во время пути прослушиваем ее работу. Сначала благодаря поверхностной волне мы ее хорошо слышим, но на расстоянии 150…200 км волна уже не способна преодолеть кривизну поверхности, и сигнал радиостанции пропадает. Терпеливо ждем (на корабле терпения нужно больше), и при расстоянии 1500…2000 км сигнал появляется снова! Вокруг радиостанции образовалось как бы кольцо «зоны молчания», где поверхностных волн уже нет, а волны, отраженные от ионосферы, еще не пришли.
Зона молчания.
Внимательный читатель отметит для себя, что «зона молчания» образуется лишь при работе передатчика на частоте выше критической, когда вертикальные лучи уже не отражаются ионосферой.
Как вы помните, МПЧ — это максимальная частота волны, еще отражающейся от ионосферы. Значит, на всех частотах ниже МПЧ возможна связь на дальних и сверхдальних трассах? Ничего подобного! С понижением частоты возрастает и поглощение радиоволн в ионосфере. Поэтому значительно понижать частоту тоже нельзя.
Ввели понятие наинизшей применимой частоты (НПЧ). Где-то между МПЧ и НПЧ лежит оптимальная для данной трассы частота, на которой только и гарантирована надежная связь. Например, в летний полдень значения МПЧ возрастают до 20…30 МГц. В этих условиях хорошо проходят волны, например, 13- и 16-метровых радиовещательных диапазонов — на них слышно много дальних станций. А в диапазонах 41 и 49 м можно принять лишь местные радиостанции, сигнал которых распространяется земной волной.
День клонится к вечеру, и «оживают» диапазоны 19, 25 и 31 м. А в диапазоне 13 м уже не слышно ни одной радиостанции! Ночью диапазоны 41 и 49 м буквально переполнены сигналами радиостанций, а на более коротковолновых (более высокочастотных) диапазонах все тихо, как в спящей квартире. Часто радисты используют даже термины «ночные волны» (длиннее 25 м) и «дневные волны» (короче 25 м). То же повторяется и при смене сезонов года: зимой лучше приходят болеё длинные волны.
Уровень сигнала удаленной радиостанции зависит не только от времени суток и года. В течение нескольких минут он может измениться в сотни раз. Происходят хорошо известные замирания сигнала, или фединги. Основная причина замираний — быстрых и сильных изменений уровня сигнала — интерференция нескольких волн, пришедших от передатчика к приемнику различными путями. Длины путей различны, поэтому различны и фазы пришедших сигналов. Когда волны синфазны, происходит их сложение, а когда противофазны — одна волна ослабляет другую и общая напряженность поля у приемной антенны уменьшается. Интерферировать могут волны, пришедшие одним и двумя скачками, отраженные от разных областей ионосферы, земная и пространственная волны.
Другая причина федингов — неоднородность самой ионосферы. Отражающий слой может вдруг принять форму вогнутого зеркала, фокусируя лучи и усиливая сигнал, или, напротив, рассеять лучи в пространстве. Подобно обычным облакам на летнем небе, в ионосфере возникают, перемещаются и тают невидимые облака ионизированного газа, и все это отражается на уровне принимаемого сигнала. С замираниями стараются бороться, применяя различные системы автоматической регулировки усиления приемника. Эффективнее прием на несколько разнесенных в пространстве антенн.
Еще разительнее суточные измерения «ионосферной погоды» прослеживаются в диапазоне средних волн. Включите ваш приемник (все равно какой — карманный, портативный или стационарный) в диапазоне средних волн днем. Вы услышите только две-три местные радиостанции. А ночью? Эфир полон: голоса массы городов и стран зазвучат в тишине вашей квартиры. Дело в том, что волны средневолнового (СВ) диапазона отражаются слоем Е, критическая частота которого достигает нескольких мегагерц. Но днем ниже слоя Е появляется слой D, сильно поглощающий волны СВ и длинноволнового (ДВ) диапазонов. Для сверхдлинных же волн слой D с критической частотой, не превосходящей 700 кГц, служит хорошим отражателем, и поглощение этих волн мало в любое время суток. Собственно, для сверхдлинных волн с длиной в несколько или даже десятки километров уже нельзя говорить о лучевом распространении ведь высота слоев сравнима с длиной волны. И сверхдлинные волны распространяются как бы в волноводе между ионосферой и Землей.
Таковы особенности распространения радиоволн различных диапазонов. В настоящее время сверхдлинные волны используют в основном для сверхдальней телеграфной связи, передачи эталонных частот и сигналов точного времени, а также для глобальных систем навигации. Одна из них, «Омега», включает шесть-восемь передатчиков, работающих на частотах 10…14 кГц и разбросанных по всей поверхности земного шара. В любой точке Земли удается принять сигналы двух-трех передатчиков. Сравнивая фазы принятых колебаний, вычисляют местоположение судна или самолета (разумеется, это делает бортовая ЭВМ) с точностью порядка сотен метров!
Диапазоны ДВ и СВ отведены для радиовещания и иногда используются для радионавигационных систем ближнего действия. А на КВ тесно, работает много всяких служб: и радиовещание, и служебная дальняя связь, и любительская, и много-много других. В результате КВ диапазон «забит» сигналами станций до отказа. На УКВ, которые уже не отражаются ионосферой, работают телевизионные и радиовещательные передатчики с частотной модуляцией (ЧМ). Они занимают более широкий спектр частот по сравнению с AM передатчиками диапазонов ДВ, СВ и КВ, но просторный УКВ диапазон, имеющий ширину в десятки мегагерц, это позволяет. Однако не следует думать, что, прослушивая эфир, можно принимать только сигналы радиостанций. Эфир полон и другими, нерегулярными сигналами естественного происхождения. О них мы немного и поговорим в следующем параграфе.
Радиосигналы естественного происхождения регистрировались еще грозоотметчиком А. С. Попова. Но вот что удивительно: когда стали изготавливать приемники с огромными антеннами для диапазона сверхдлинных волн, число атмосферных разрядов, регистрируемых приемником, возрастало, хотя никаких гроз в обозримой окрестности и в помине не было. Оставалось предположить, что приемник регистрирует очень удаленные грозы. Теперь-то нам ясно, что сверхдлинные волны распространяются на расстоянии в тысячи и тысячи километров. А спектр излучения разряда молнии имеет максимум на частотах 7…30 кГц. На более высоких частотах спектральная плотность излучения равномерно уменьшается. Поэтому нет ничего странного в том, что принимаются сигналы гроз, свирепствующих очень далеко от наших мест, где в это время может стоять прекрасная погода.
На Земле в каждый данный момент бушует не менее 100–300 гроз. Подавляющее их большинство приходится на экваториальные области. Выделяют даже центры грозовой активности, расположенные в Центральной Америке и в Южной Америке в бассейне Амазонки, в тропической Африке и в Индонезии. Когда условия прохождения радиоволн из этих районов улучшаются, возрастает и уровень атмосферных помех в эфире. Одиночный грозовой разряд, зарегистрированный приемником, радисты назвали коротко и даже как-то ласково — «атмосферик». По форме принятого атмосферика, воспроизведенной на экране осциллографа, можно судить и о пути, пройденном им в эфире. Скорость распространения различных спектральных компонентов сложного спектра атмосферика разная, к тому же разные частоты по-разному ослабляются при распространении. Как правило, составляющие нижних частот спектра поступают с меньшим ослаблением, чем верхнечастотные, поэтому и максимум атмосферных помех приходится на достаточно низкие частоты около 10 кГц. В результате, чем больший путь прошел атмосферик, тем «басовитее» и длиннее он становится. Его звук, воспроизведенный приемником, не имеет уже ничего общего с сухим треском близкого грозового разряда.