Приглашаем посетить сайт

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах
СВЕРХДАЛЬНЕЕ РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН

СВЕРХДАЛЬНЕЕ РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН

СВЕРХДАЛЬНЕЕ РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН - распространениерадиоволн на расстояния, существенно превышающие протяжённость стандартныхлиний радиосвязи (10тыс. км). Реализуется при благоприятном пространственном распределенииэлектронной концентрации N_e н эфф. частоты соударенийv над землёй на уровне ~км, определяющих совместно с рабочей частотой f осн. свойства показателяпреломления земной атмосферы, и формирующих такой волновой канал(см. Полноводное распространение радиоволн), к-рый обеспечиваетнаим. затухание в точке приёма. При этом существ, роль играют высотнаястратификация среды и её горизонтальная неоднородность.

Представление о предельно достижимой дальности менялось с накоплениемэксперим. фактов, развитием приёмно-передающих комплексов и теории распространенияэл.-магн. волн. Первые опыты Г. Маркони (G. Marconi) по трансатлантич. <связи (1901) продемонстрировали неожиданно высокую напряжённость поля ипривели А. Кеннелли (A. Kennelly) и О. Хевисайда (О. Heaviside) к гипотезео существовании ионосферы, отражающей радиоволны обратно к Земле(см. Отражение радиоволн). Освоение в 1920-е гг. КВ-диапазона (декаметрового)показало возможность установления дальних связей даже при малых излучаемыхмощностях. Были обнаружены сигналы, проходящие по обратной дуге большогокруга, и кругосветное эхо, отмечено повышение амплитуды сигнала в окрестностиантипода излучателя. Дальнейшие исследования, в т. ч. с помощью ИСЗ, геофиз. <ракет и остронаправленных антенн, показали наличие разнообразныхканалов С. р. р., множественность траекторий, сложные вариации азимутальныхуглов прихода, связь оптим. условий распространения с освещённостью трассы. <Эти исследования позволили классифицировать сигналы С. р. р. по след, типам:прямые сигналы (ПС)- длина раднотрассы D от 10 до 20 тыс. км; антиподныесигналы (АС) - D ~20 тыс. км; обратные сигналы (ОС) - 20 < .< 40 тыс. км; кругосветные сигналы (КС) - D- ~ 40 тыс. км;кратные кругосветные сигналы (КС _П) - D ~40 п тыс. <км. К сигналам С. р. р. относят также задержанные сигналы, эхосигналы смногосекундными задержками (ЗС).

Прямые и обратные сигналы. При расстоянии между корреспондентами~ 10-15 тыс. км в суточном цикле наблюдается резкий переход от кратчайшегопути (ПС) к обратной трассе (ОС). При этом предпочтительной является трасса, <большая часть к-рой лежит в ночном полушарии. Реверс передающей п приёмнойантенн на таких трассах способствует повышению надёжности связи.

Антиподные сигналы (АС) соответствуют макс. разносу излучателяи приёмника на Земле, когда потенциально возможны любые направления приходарадиоволн. Из-за неоднородности ионосферы вблизи антипода формируется фокальноепятно размером ~0,5- 1,5 тыс. км с неск. направлениями прихода и сложнымпространственным распределением напряжённости поля. Это явление аналогично аберрациям оптических систем. Оптим. условия приёма АС реализуютсяна трассах, лежащих в ночном полушарии и в окрестности терминатора (линия, <отделяющая дневное полушарие от ночного). АС меньше др. типов сигналовподвержены влиянию ионосферно-магн. возмущённости и поглощению в полярныхзонах.

Кругосветные сигналы (КС). Оптим. трассы тяготеют к сумеречнойзоне, составляя обычно с терминатором угол 10-20°. Наилучшие условия приёмаКС зимой в дневное время, неск. хуже - в ночное время летом и днём в равноденствие. <Амплитуда КС практически не меняется при реверсе передающей и приёмнойантенн. С ростом солнечной активности приём КС улучшается. Диапазон рабочихчастот f = 10-30 МГц с оптим. частотами порядка 15-22 МГц. Осн. особенностямиКС являются стабильность времени распространения (138-140 мс), наличиеоптпм. азимута, ортогонального направлению на подсолнечную точку (см. МагнитосфераЗемли). Более точные условия приёма КС сводятся к след, эмпирич. правилам:критич. частота F-слоя ионосферы в районе излучателя и его антипода ; траектория КС близка к большому кругу, на к-ром достигается максимумминимума f _крF2 и минимум продольных градиентов электроннойконцентрации. При связи между ИСЗ, орбиты к-рых проходят ниже максимума F-слоя, диапазон наблюдаемых частот расширяется до 40 МГц и вероятностьприёма дальних радиосигналов значительно увеличивается. Кратные кругосветныесигналы (КС _n). Оптим. условия приёма КС _n, каки КС, соответствуют сближению трасс с терминатором. КС _n принимаютсяв периоды высокого уровня КС. Обращает на себя внимание исключительно низкоезатухание КС _n - порядка 5-20 дБ на один обход.

Задержанные сигналы (ЗС). Радиоэхо с задержками в единицыи десятки секунд (т. е. на 1-2 порядка большими, чем у КС) наблюдаетсягораздо реже, чем КС. В ряде случаев оптим. условия приёма ЗС также связаныс терминатором и отмечается кратность их задержек задержкам КС.

Явление С. р. р. наиб. характерно для коротких (декаметровых) волн вдиапазоне f ~ 10-25 МГц. Волны более низкой частоты испытывают значит, <поглощение в ионосфере, а их излучение требует радиопередающих устройств большой мощности и громоздких антенн. Для УКВ и более коротких радиоволн, <как правило, рефракция в ионосфере недостаточна для формирования устойчивоговолнового канала. Предельная частота вырождения (разрушения) волноводаопределяет верх. границу частотного диапазона С. р. р.

Для С. р. р. всех типов можно отметить ряд общих свойств. Диапазон оптим. <частот расширяется в годы высокой солнечной активности. Вертикальные углыприхода радиоволн лежат в пределах 5-20° от горизонта. Для трасс длинойпорядка 15-20 тыс. км азимутальный угол прихода меняется плавно со временем, <значительно отклоняясь в переходные периоды от дуги большого круга.

Механизмы сверхдальнего распространения радиоволн. Осн. способомС. р. р. декаметровых радиоволн является смешанный механизм распространения, <включающий в себя скачковый (последоват. отражение радиоволн от поверхностиЗемли и ионосферы) и волноводный способы распространения. Приближённыеф-лы для диэлектрич. проницаемости

и проводимости плазмы

где - циклическая частота, т - масса электрона, позволяют оценить частотно-угл. <диапазон волн, удерживаемых в волноводе Земля - ионосфера, и их поглощение. <Слабее всего затухают волны высокой частоты, распространяющиеся в приподнятомволновом канале, формирующемся ниже максимума F-слоя за счёт сферичностиЗемли и рефракции радиоволн в расслоённой ионосфере (рис. 1). Такими волноводно-рикошетирующимимодами осуществляется сверхдальняя связь между ИСЗ. Малое погонное затуханиеКС и КС _n говорит о том, что реализуется волноводный механизмраспространения. Оценки показывают, что ионосферный волновод возбуждаетсяс Земли за счёт регулярных горизонтальных градиентов ионосферы, рассеянияна случайных неоднородностях и дифракц. эффектов.

Геом. оптика распространения радиоволн в трёхмерно-неоднородной ионосфереподобна динамике частицы в медленно меняющемся потенциальном поле. В первомприближении вертикальная проекция лучевой траектории r(s )даётсяур-нием

Здесь r = R+ z - расстояние от центра Земли, R - радиусЗемли, s - расстояние вдоль земной поверхности;- модифициров. диэлектрич. проницаемость, а -медленно меняющаяся ф-ция географич. координат, определяемая из условиясохранения адиабатич. инварианта:

(здесь -точки поворота луча). Ф-лы (1) и (2) учитывают горизонтальную неоднородностьионосферы и позволяют проследить переход от скачкового механизма к волноводномураспространению и обратно (рис. 2). Ф-ция определяет; вертикальный угол прихода для скачковых траекторий; для волноводно-рикошетирующих траекторий .

вырождающегося ионосферного волновода на уровне , определяемом из ур-ния

Рис. 1. Пример рикошетирующих траекторий: f = 30МГц, Z₀= 150 км (тонкая черта - изолинии Ne).

Рис. 2. Отрыв скачковых траекторий от Земли: f = 18 МГц,⁼7°.

Рис. 3. Структура траектории антиподного сигнала (а) и кругосветногосигнала (б).

Используя модели профиля электронной концентрации N_e(r )и изменения его узловых параметров [экстремумов N_e(r )и её вертикальных градиентов] в зависимости от координат (т. н. экстремально-параметрич. метод), можно получить из (1) - (4) явныеф-лы для всех характеристик радиосигнала.

Усреднённые горизонтальные проекции лучей являются характеристикамидвумерного ур-ния эйконала

определяющего глобальную картину траекторий распространения. Особенностиполя лучей (1) - (5) ( каустики и фокальные точки) указывают областимакс. уровня сигнала. За счёт продольной фокусировки возникают дискретныезоны повыш. напряжённости поля вдоль трассы. Поперечная фокусировка приводитк формированию фокальных пятен сложной структуры при антиподном и кругосветномраспространении (рис. 3). В окрестности каустик и точек их заострения можноожидать аномально высокого уровня АС и КС. Лит.: Краснушкин П. Е.,Метод нормальных волн в применении к проблеме дальних радиосвязей, М.,1947; Ш л и о н с к и й А. Г., Дальнее распространение радиоволн в ионосфере, <М., 1979; его же, Радиоэхо с многосекунднымн задержками, «Радиотехника»,1989, № 11, с. 46; 1991, № 7, с. 42; Гуревич А. В., Ц е д и л и н а Е. <Е., Сверхдальнее распространение коротких радиоволн, М., 1979; Б а р ан о в В. А., Карпенко А. Л., Попов А. В., Приближенный метод оперативногорасчета характеристик наклонного и возвратно-наклонного зондирования ионосферы, <в кн.: Распространение декаметровых радиоволн, М., 1982; Е ф и м у к С. <М. и др., Влияние критических частот F2-области ионосферы на прием кругосветныхсигналов, «Геомагнетизм и аэрономия», 1985, т. 25, № 4, с. 681; МартинесБрунет Р., Попов А. В., Структура фокальных пятен на неоднородной сфере,«ДАН СССР», 1986, т. 289, К» 5, с. 1079; Попов А. В., Ц е д и л и н а Е. <Е., Черкашин Ю. Н., Новые методы расчета коротковолновых радиотрасс, вкн.: Электромагнитные и плазменные процессы от Солнца до ядра Земли, М.,1989. А. В. Попов, Ю. Н. Черкашин, А. Г. Шлионский.