Глава пятая. Распространение длинных и средних волн

§ 5.1. Особенности распространения длинных и сверхдлинных волн

Радиоволны длиной от 1000 до 10000 м называют длинными (частота 300÷30 кГц), а радиоволны длиной свыше 10000 м - сверхдлинными (частота менее 30 кГц).

Длинные и особенно сверхдлинные волны мало поглощаются при прохождении в толще суши или моря. Так, волны длиной 20÷30 км могут проникать в глубину моря на несколько десятков метров (см. табл. 2.2) и, следовательно, могут использоваться для связи с погруженными подводными лодками, а также для подземной радиосвязи (см. §2.9).

В этих диапазонах радиоволн для всех видов земной поверхности токи проводимости существенно преобладают над токами смещения (см. § 2.1), благодаря чему при распространении поверхностной волны происходит лишь незначительное поглощение энергии. Длинные волны хорошо дифрагируют вокруг сферической поверхности Земли (см. § 2.11).

Оба эти фактора обусловливают возможность распространения длинных и сверхдлинных волн земной волной на расстояние порядка 3000 км. При этом для расстояния 500÷600 км напряженность электрического поля можно определять формулой Шулейкина - Ван-дер-Поля (2.53), а для больших расстояний расчет ведут по законам дифракции (см. § 2.11).

Начиная с расстояния 300÷400 км, помимо земной волны, присутствует волна, отраженная от ионосферы. С увеличением расстояния напряженность электрического поля отраженной от ионосферы волны увеличивается, и на расстояниях 700÷1000 км напряженности полей земной и ионосферной волн становятся примерно равными. Суперпозиция этих двух волн дает интерференционную картину поля (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Характер изменения напряженности электрического поля длинных волн с расстоянием (λ = 1800 м, Р = 1 кВт)

На расстоянии свыше 2000÷3000 км земная и ионосферная волны не проявляются по отдельности. Распространение происходит подобно распространению в волноводе, стенками которого служат поверхность Земли и нижняя граница ионосферы.

Диэлектрическая проницаемость ионосферы в этих диапозонах волн определяется выражением (4.35) и условие отражения записывается в виде

где ω равна или меньше величины ν.

При этом высота отражения зависит от закона изменения с высотой как N_э, так и ν. Расчеты и эксперименты показывают, что днем отражение этих волн может происходить на нижней границе слоя Е, а ночью - на нижней границе слоя D. Электропроводность в этой области ионосферы для длинных волн довольно значительная (но в тысячи раз меньше, чем электропроводность сухой земной поверхности), и токи проводимости оказываются по величине того же порядка, что и токи смещения. Следовательно, нижняя область ионосферы для длинных волн обладает свойствами полупроводника.

На длинных, особенно сверхдлинных волна, элекронная плотность слоев D и Е меняется резко на протяжении длины волны. Поэтому и отражение здесь происходит, как на границе раздела воздух - полупроводник, без проникновения радиоволны в толщу ионизированного газа. Этим обусловлено слабое поглощение длинных и сверхдлинных волн в ионосфере.

Расстояние от поверхности Земли до нижней границы ионосферы составляет 60÷100 км. Это расстояние имеет тот же порядок, что и длина волн (длинных и сверхдлинных), так что волны распространяются между двумя близко расположенными полупроводящими концентрическими сферами, одной из которых является Земля, а другой - ионосфера. Условия распространения при этом примерно такие же, как и в диэлектрическом волноводе (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Распространение длинных и сверхдлинных волн в волноводе Земля - ионосфера

Как и во всяком волноводе, можно отметить оптимальные волны - волны, распространяющиеся с наименьшим затуханием, и критические волны - волны с предельной длиной волны, которые еще могут распространяться. Для волновода, образованного Землей и ионосферой, оптимальными являются волны длиной 25÷35 км, а критической - волна длиной около 100 км.

В сферическом ионосферном волноводе фазовая скорость радиоволн превышает скорость света в свободном пространстве. На частотах выше 10 кГц отличие фазовой скорости от скорости света невелико, примерно (υ_ф/с - 1) = (1÷5)·10^-3. Однако фазовая скорость меняется с расстоянием, она зависит от электронной плотности и числа столкновений электронов с молекулами в той области ионосферы, где происходит отражение радиоволн. Это приводит к нестабильности фазы волны главным образом в утренние и вечерние часы, когда меняется высота отражения длинных волн, что необходимо учитывать при работе длинноволновых радионавигационных систем.

Методы расчета напряженности поля длинных волн на больших расстояниях от передатчика основаны на рассмотрении картины поля ионосферного волновода [10]. Действительно, вся электромагнитная энергия, излученная антенной, оказывается заключенной между двумя сферами и распространяется между ними по всем направлениям, поскольку в диапазоне длинных волн, как правило, применяются ненаправленные антенны (см. рис. 5.2). С удалением от антенны кольцевое сечение сферического волновода увеличивается, пока внутренний радиус кольца, в котором распространяется волна, не достигнет величины радиуса земного шара. При дальнейшем увеличении расстояния площадь кольца вновь уменьшается и энергия волны концентрируется. Характер изменения напряженности электрического поля длинных волн с расстоянием при большом удалении от передатчика изображен на рис. 5.3 сплошной линией. Пунктирная кривая показывает характер изменения напряженности электрического поля в сферическом волноводе с идеально проводящими стенками.

Рис. 5.3. Зависимость напряженности электрического поля длинных волн от расстояния: 1 - без учета поглощения; 2 - с учетом поглощения

Расчет напряженности электрического поля длинных и сверхдлинных волн обычно ведут по эмпирическим формулам, чаще всего по формуле Остина. По формуле Остина можно рассчитать напряженности электрического поля длинных волн в дневное время для расстояний до 16000÷18000 км над морем и сушей, причем в последнем случае начиная с расстояний 2000÷3000 км.

Формула Остина имеет следующий вид:

где угол θ обозначен на рис. 5.2.

Наличие в знаменателе этой формулы величины  
отражает зависимость напряженности электрического поля от расстояния, изображенную на рис. 5.3 пунктирной кривой. Как видно из рис. 5.3, на расстояниях от передатчика, соответствующих антиподным (диаметрально противоположным) точкам земного шара, наблюдается существенное увеличение напряженности поля. Это явление называется эффектом антипода.

Основное преимущество длинных волн - большая устойчивость напряженности электрического поля: сила сигнала на линии связи мало меняется в течение суток и в течение года и не подвержена случайным изменениям. Достаточную для приема напряженность электрического поля можно обеспечить на расстоянии более 20000 км, но для этого требуются мощные передатчики и громоздкие антенны.

Недостатком длинных волн является невозможность передачи широкой полосы частот, необходимой для трансляции разговорной речи или музыки. В настоящее время длинные и сверхдлинные радиоволны применяются главным образом для телеграфной связи на дальние расстояния, а также для навигации.

Условия распространения сверхдлинных радиоволн исследуют, наблюдая за грозами. Грозовой разряд представляет собой импульс тока, содержащий колебания различных частот - от сотен герц до десятков мегагерц. Основная часть энергии импульса грозового разряда приходится на диапазон колебаний, соответствующий сверхдлинным волнам. Колебания от места возникновения распространяются во все стороны, причем волны различной длины при распространении испытывают различное поглощение и приходят в разной фазе. В результате импульс, пришедший на значительное расстояние от места разряда, искажается. По искажению импульса изучают свойства сферического волновода Земля - ионосфера [32].

В диапазоне длинных волн наблюдается своеобразная помеха - "свистящий атмосферик". Он воспринимается на слух как сигнал, частота которого меняется во времени за (0,5÷1 с примерно от 400 до 8000 Гц). Источником "свистящего атмосферика" является грозовой разряд, возбуждающий сверхдлинные волны. Как было показано в § 4.12, при распространении волны в ионизированном газе в направлении силовых линий постоянного магнитного поля при f < f_Н = 1,4 МГц не происходит отражения волны от ионосферы, поскольку диэлектрическая проницаемость ионосферы всегда больше единицы. Волна распространяется вдоль силовых линий магнитного поля Земли, пронизывает всю толщу ионосферы и может быть принята на Земле на другом конце силовой линии магнитного поля, как схематически показано на рис. 5.4.

Рис. 5.4. Схема распространения 'свистящих атмосфериков': 1 - грозовой разряд; 2 - силовые линии магнитного поля Земли; 3 - путь короткого 'свистящего атмосферика'; 4 - путь длинного 'свистящего атмосферика'

Сигнал, отраженный от земной поверхности, проходит обратный путь и может быть принят в месте возникновения грозового разряда. Время запаздывания таких сигналов составляет 2÷3 с, откуда следует, что они проходят путь в многие тысячи километров, удаляясь от Земли на расстояние 10000÷15000 км. Это явление привлекло внимание исследователей потому, что наблюдение за "свистящими атмосфериками" позволяет получить сведения о состоянии магнитного поля Земли и плотности среды на большом расстоянии от ее поверхности [31].