Deși de la amatori nu este nevoie decât de cunoașterea cursivă a fizicii ionosferei, o idee mai detaliată despre aceasta poate crește foarte mult plăcerea din hobby-ul lor.
Radiocomunicația prin ionosferă este un mijloc fascinant și important de stabilire a conexiunilor pe distanțe lungi. Mii de fani și operatori comerciali folosesc ionosfera în fiecare zi pentru a stabili contacte în zone întinse. Cu toate acestea, pentru a utiliza pe deplin posibilitățile acestui mod de propagare, trebuie să înțelegem fizica care stă în spatele acestei magii. Știind când să asculți, frecvența pe care să o folosești și unde poți să te aștepți la sosirea semnalului, DX'epy-ul experimentat poate lucra cu stații îndepărtate. Fără îndoială, cunoașterea fizicii de propagare și "sentimentul" condițiilor existente în fiecare gamă este o calitate foarte valoroasă a oricărui operator radio.
Înainte de a analiza procesul de reflectare a semnalelor din ionosferă, este necesar să spunem câteva cuvinte despre unde apare această reflecție și cum se formează zona de reflexie.
Întreaga atmosferă poate fi împărțită în mai multe straturi diferite cu proprietăți diferite. Cele mai utilizate nume pentru aceste straturi sunt prezentate în Fig. Aceasta arată că troposfera este cea mai apropiată parte a atmosferei față de Pământ, care se extinde până la o înălțime de aproximativ 10 km. La altitudini cuprinse între 10 și 50 km. găsim o stratosferă în care se află stratul notoriu de ozon (la o altitudine de aproximativ 20 km).
În cazul legăturilor KB, ionosfera joacă cel mai important rol, în timp ce troposfera joacă un rol-cheie în conexiunile cu VHF și UHF. Ionosfera acoperă mai multe straturi meteorologice și se extinde în înălțime de la aproximativ 50 la 650 km.
Numele său a fost dat ionosferei, deoarece există ioni în această zonă a atmosferei. În cea mai mare parte a atmosferei, moleculele există într-o stare legată și rămân neutre din punct de vedere electric. Totuși, în ionosferă, radiația solară (în special regiunea ultravioletă) este atât de intensă încât, atunci când lovește moleculele, ea se descompune (ionizează ele), iar electronii sunt liberi. Rezultatul este un ion pozitiv (o moleculă de electroni "non-numărare") și un electron liber. Și, deși numele acestei zone a atmosferei a fost dat de ioni, influența principală asupra propagării undelor radio este, de fapt, electronii.
Numărul de electroni liberi (figura 2) începe să crească de la o înălțime de aproximativ 30 km. Cu toate acestea, densitatea electronilor devine suficientă pentru a afecta undele radio, pornind doar de la o înălțime de aproximativ 60 km. Adesea ne imaginăm o ionosferă formată din mai multe straturi diferite. Și, deși acest lucru este convenabil pentru a explica unele fenomene, nu este totuși complet precis, deoarece moleculele ionizate (și electronii liberi) există în întreaga ionosferă. În realitate, straturile sunt cel mai bine reprezentate ca maxime ale nivelului de ionizare.
Pentru a putea indica rapid straturile individuale, vârfurile sau regiunile, le indicăm cu literele D, E și F (există și stratul C, dar nivelul de ionizare este atât de scăzut încât nu afectează undele radio).
Mai jos se află stratul D - la o altitudine cuprinsă între 50 și 80 km. Există în ziua când radiația soarelui cade pe ea. Deoarece densitatea aerului la astfel de înălțimi este încă ridicată, ionii și electronii se recombină relativ repede aici. După apusul soarelui, când radiația solară este blocată de Pământ, nivelul electronilor liberi cade rapid, iar stratul D, de fapt, dispare. Următorul strat care se află deasupra stratului D se numește stratul E. Se găsește la altitudini între 100 și 125 km. Deoarece și aici, electronii și ionii se recombină destul de repede, după ce soarele se aprinde, nivelul de ionizare scade rapid. Și, deși rămâne un nivel rezidual de ionizare, de fapt, noaptea, stratul E dispare. Pentru conexiunile cu rază lungă de acțiune, cel mai important rol este jucat de stratul F. În timpul zilei, acesta se descompune adesea în două substraturi, pe care le numim F1 și F2 (figura 3). În timpul nopții, ambele straturi se reunesc din nou într-un strat F. Înălțimea stratului F variază foarte mult și depinde de ora din zi, de sezon și de starea soarelui. Vara, stratul F1 poate fi localizat la o altitudine de 300 km. și stratul F2 - la o altitudine de 400 km. sau mai mare. În timpul iernii, aceste cifre pot fi, respectiv, 100 km. și 200 km. În timpul nopții, stratul F este situat, de regulă, la înălțimi de 250-300 km. Cu toate acestea, toate aceste cifre sunt foarte relative și ar trebui considerate doar ca estimări. Ca și în straturile D și F, nivelul ionizării în stratul F cade pe timp de noapte. Cu toate acestea, deoarece acest strat este situat mult mai înalt, iar densitatea aerului în el este mult mai mică, recombinarea are loc aici mult mai lent. Deoarece ionizarea durează toată noaptea, acest strat poate afecta propagarea semnalelor radio.
Soarele și ionosfera
Nu este deloc surprinzător faptul că activitatea solară afectează ionosfera. Principalul factor este numărul de pete solare vizibile. Petele arata ca zone intunecate (relativ), care pot fi vazute daca proiectati imaginea Soarelui pe un ecran sau pe o bucata de hartie. Acestea afectează ionosfera, deoarece zonele din jurul lor radiază o cantitate mare de radiații ultraviolete, principalul factor de ionizare.
Numărul de pete solare variază în funcție de perioada de 11 ani (deși acest model este suficient de apropiat). Și aceasta înseamnă că condițiile ionospherice (și, prin urmare, propagarea undelor radio) se modifică în mod sincron cu acest ciclu. În partea de jos a ciclului în benzile HF de peste 20 MHz, propagarea ionosferică ar putea să nu aibă loc. În apropierea vârfului activității de 11 ani, frecvențele de la 50 MHz și mai mari pot fi active.
Suprafața și undele de aer
Semnalele în intervalele undei medii și scurte se propagă în două moduri principale - undele de suprafață și spațiu.
Un val de suprafață apare atunci când semnalul se transmite de la emițător în toate direcțiile. În loc să se răspândească într-o linie dreaptă (și nu se aude dincolo de orizontul vizibil), semnalul radio tinde să urmeze curbura Pământului (figura 4). Acest lucru se datorează faptului că pe suprafața pământului sunt induse curenții, care încetinesc frontul undei lângă suprafață. Ca urmare, semnalul de undă se înclină în jos, ceea ce îi permite să urmărească curbarea Pământului și să se răspândească dincolo de orizont.
Cu câteva excepții, comunicarea cu unde de suprafață este folosită de regulă pentru semnalele cu frecvențe mai mici de 2 ... 3 MHz. La frecvențe mai mari, acesta nu este utilizat din cauza creșterii amortizării cu frecvență; ca urmare, comunicarea devine nesigură. Acest lucru este bine demonstrat de faptul că stațiile de emisie cu undă scurtă care utilizează un val de suprafață sunt audibile numai la distanțe scurte. În același timp, stațiile cu unde medii sunt audibile la distanțe mult mai mari - o stație radio tipică puternică AM acoperă o zonă de o sută de mile sau chiar mai mult. Suprafața de acoperire totală este influențată de mulți factori, inclusiv puterea emițătorului, tipul antenei și natura suprafeței pe care se propagă semnalele.
Semnalele pot fi de asemenea separate de suprafața pământului și propagate spre ionosferă. După cum vom vedea mai jos, unii dintre ei se vor întoarce pe pământ.
Primul strat care îndeplinește calea semnalului este stratul D. Acesta acționează ca un atenuator, în special la frecvențe joase, deoarece atenuarea variază invers cu pătratul frecvenței. Aceasta înseamnă că atunci când frecvența este dublată, nivelul atenuării scade de patru ori. Acesta este motivul pentru care încearcă să împiedice transmiterea semnalelor de frecvență joasă către straturi mai înalte, cu excepția nocturnă, când stratul D dispare.
Atenuarea semnalelor care trec prin stratul D se datorează faptului că ele induc oscilații ale electronilor liberi. Când se întâmplă acest lucru, electronii se ciocnesc cu molecule, consumând o cantitate mică de energie și risipind cantitatea de energie semnal radio proporțională cu ea.
Este ușor de observat că nivelul de amortizare depinde de numărul de coliziuni care apar. Și acest număr, la rândul său, depinde de mulți alți factori. Unul dintre cele mai evidente este numărul de molecule de gaze disponibile. Un număr mai mare de molecule de gaze înseamnă mai multe coliziuni și o creștere a atenuării.
Nivelul ionizării și frecvența semnalului radio sunt, de asemenea, importante. Cu o frecvență crescătoare, lungimea de undă scade, iar numărul coliziunilor dintre electronii liberi și moleculele de gaz scade. Prin urmare, semnalele de frecvență joasă se descompun mult mai puternic decât semnalele de înaltă frecvență.
Straturile E și F
Când semnalul intră în straturile E și F, el induce în ele, ca în stratul D, oscilații de electroni liberi. Cu toate acestea, aici densitatea aerului este mult mai scăzută, iar coliziunea este mult mai mică. Prin urmare, aici se pierde mult mai puțină energie și aceste straturi afectează semnalele radio într-un mod complet diferit. Mai puțin colizându-se cu moleculele de gaz și pierzând mai puțină energie, electronii îl emit din nou. Deoarece semnalul se propagă în zona cu densitatea electronilor în creștere, cu cât semnalul penetrează în continuare în strat, cu atât mai mult este refractat din zona cu o densitate mare în zona cu densitate scăzută. Pe RF această refracție este adesea suficientă pentru a trimite semnalul înapoi pe Pământ. Ca rezultat, totul pare ca stratul "reflectat" semnalul. Aceste "reflexii" depind de frecvența semnalului radio și de unghiul de incidență al acestuia. Cu o frecvență crescătoare, indicele de refracție scade și, în sfârșit, frecvența este atinsă pentru care semnalele trec prin strat și ajung la următoarea. În cele din urmă, o frecvență este atinsă atunci când semnalele trec prin toate straturile și merg în spațiul exterior (figura 5).
Schimbări de frecvență
Sărituri multiple
Deși reflecțiile din straturile E și F se suprapun pe distanțe semnificative, acest lucru nu explică modul în care semnalul poate ajunge în a doua jumătate a globului. Acoperirea întregii lumi necesită câteva reflecții. acte de metal de putere ited-pământ ca un reflector pentru revenirea la pământ prin semnale ionosferei, le revine înapoi la ionosfera, în cazul în care acestea sunt reflectate înapoi la pământ (Figura 7). În acest fel, semnalul se poate răspândi în jurul globului (și chiar în mai multe direcții). Proprietățile suprafeței pământului au o mare importanță. Deserturile sunt reflectoare nepotrivite, dar oceanele sunt foarte eficiente. Acest lucru înseamnă că semnalele reflectate de la Oceanul Atlantic, de exemplu, va fi mult mai puternic decât semnalele reflectate din zone cum ar fi deșertul Sahara. În plus, pierderile cauzate de reflexie de suprafață, semnalează o experiență de atenuare de fiecare dată când trec prin stratul D. Într-adevăr, atenuarea în stratul D este foarte important, mai ales având în vedere că semnalele trec printr-un strat D dublu pentru fiecare „excursie“ la lor strat E sau F. în plus, frecvențele înalte sunt mai comod de utilizat, deoarece acestea sunt reflectate de stratul F2 și, prin urmare, necesită un număr mai mic de reflecții și au experiență de asemenea absorbția minimă în stratul D. Acest lucru înseamnă că, ceteris paribus, semnalul pe frecvențe 28 MHz, de exemplu, va fi mai puternică decât frecvența semnalului de 14 MHz (în cazul în care este stabilită conexiunea la ambele frecvențe).
Distanța de salt și zona "mort"
Distanța de salt și zona "mortă" sunt concepte foarte importante ale propagării ionosferice. Distanța de-a lungul suprafeței Pământului, la care se propagă semnalul când se reflectă din ionosferă, se numește distanța de salt (figura 8). Există, de asemenea, o zonă numită "zona mortă". Semnalele undelor de suprafață datorate atenuării vor fi auzite numai la o anumită distanță față de transmițător. Semnalele care se propagă în ionosferă nu pot fi reflectate înainte de a ajunge la ionosferă. În același timp, ei trec distanțe mult mai mari decât cele pe care dispare complet valul de suprafață. Aceasta duce la apariția unei zone în care semnalele nu pot fi auzite. Această zonă se numește zona "mort". Este deosebit de pronunțată pentru semnalele de înaltă frecvență, pentru care valul de suprafață se atenuează foarte rapid, iar distanța de salt poate fi de mii de kilometri sau mai mult.
I. POOL (G3YWX)
QST, 11/99. Traducere de A. Velsky.