глава п'ята
§ 5.1. Особливості поширення довгих і наддовгих хвиль
Радіохвилі довжиною від 1000 до 10000 м називають довгими (частота 300 ÷ 30 кГц), а радіохвилі довжиною понад 10000 м - наддовгими (частота менше 30 кГц).
Довгі і особливо наддовгі хвилі мало поглинаються при проходженні в товщі суші або моря. Так, хвилі довжиною 20 ÷ 30 км можуть проникати в глибину моря на кілька десятків метрів (див. Табл. 2.2) і, отже, можуть використовуватися для зв'язку з зануреними підводними човнами, а також для підземного радіозв'язку (див. §2.9).
У цих діапазонах радіохвиль для всіх видів земної поверхні струми провідності істотно переважають над струмами зміщення (див. § 2.1), завдяки чому при поширенні поверхневої хвилі відбувається лише незначне поглинання енергії. Довгі хвилі добре діфрагіруют навколо сферичної поверхні Землі (див. § 2.11).
Обидва ці фактори обумовлюють можливість поширення довгих і наддовгих хвиль земної хвилею на відстань близько 3000 км. При цьому для відстані 500 ÷ 600 км напруженість електричного поля можна визначати формулою Шулейкіна - Ван-дер-Поля (2.53), а для великих відстаней розрахунок ведуть по законам дифракції (див. § 2.11).
Починаючи з відстані 300 ÷ 400 км, крім земної хвилі, присутній хвиля, відбита від іоносфери. Зі збільшенням відстані напруженість електричного поля відбитої від іоносфери хвилі збільшується, і на відстанях 700 ÷ 1000 км напруженості полів земної і ионосферной хвиль стають приблизно рівними. Суперпозиція цих двох хвиль дає інтерференційну картину поля (рис. 5.1).
Мал. 5.1. Характер зміни напруженості електричного поля довгих хвиль з відстанню (# 955; = 1800 м, Р = 1 кВт)
Діелектрична проникність іоносфери в цих диапозоном хвиль визначається виразом (4.35) і умова відображення записується у вигляді
де # 969; дорівнює або менше величини # 957 ;.
При цьому висота відображення залежить від закону зміни з висотою як Nе. так і # 957 ;. Розрахунки і експерименти показують, що днем відображення цих хвиль може відбуватися на нижній межі шару Е, а вночі - на нижній межі шару D. Електропровідність в цій області іоносфери для довгих хвиль досить значна (але в тисячі разів менше, ніж електропровідність сухої земної поверхні) , і струми провідності виявляються за величиною того ж порядку, що і струми зміщення. Отже, нижня область іоносфери для довгих хвиль має властивості напівпровідника.
На довгих, особливо наддовгих хвиля, електронна щільність шарів D і Е змінюється різко протягом довжини хвилі. Тому і відображення тут відбувається, як на кордоні розділу повітря - напівпровідник, без проникнення радіохвилі в товщу іонізованого газу. Цим обумовлено слабке поглинання довгих і наддовгих хвиль в іоносфері.
Відстань від поверхні Землі до нижньої межі іоносфери становить 60 ÷ 100 км. Це відстань має той же порядок, що і довжина хвиль (довгих і наддовгих), так що хвилі поширюються між двома близько розташованими напівпровідними концентричними сферами, однією з яких є Земля, а інший - іоносфера. Умови розповсюдження при цьому приблизно такі ж, як і в діелектричному хвилеводі (рис. 5.2).
Мал. 5.2. Поширення довгих і наддовгих хвиль в хвилеводі Земля - іоносфера
Як і у всякому волноводе, можна відзначити оптимальні хвилі - хвилі, що поширюються з найменшим загасанням, і критичні хвилі - хвилі з граничною довжиною хвилі, які ще можуть поширюватися. Для хвилеводу, утвореного Землею і іоносферою, оптимальними є хвилі довжиною 25 ÷ 35 км, а критичною - хвиля довжиною близько 100 км.
У сферичному іоносферному волноводе фазова швидкість радіохвиль перевищує швидкість світла у вільному просторі. На частотах вище 10 кГц відміну фазовоїшвидкості від швидкості світла невелика, приблизно (# 965; ф / с - 1) = (1 ÷ 5) · 10 -3. Однак фазова швидкість змінюється з відстанню, вона залежить від електронної щільності і числа зіткнень електронів з молекулами в тій області іоносфери, де відбувається відображення радіохвиль. Це призводить до нестабільності фази хвилі головним чином в ранкові та вечірні години, коли змінюється висота відображення довгих хвиль, що необхідно враховувати при роботі довгохвильових радіонавігаційних систем.
Методи розрахунку напруженості поля довгих хвиль на великих відстанях від передавача засновані на розгляді картини поля іоносферного хвилеводу [10]. Дійсно, вся електромагнітна енергія, що випромінює антеною, виявляється укладеної між двома сферами і поширюється між ними в усіх напрямках, оскільки в діапазоні довгих хвиль, як правило, застосовуються ненаправлення антени (див. Рис. 5.2). З віддаленням від антени кільцевий переріз сферичного хвилеводу збільшується, поки внутрішній радіус кільця, в якому поширюється хвиля, не досягне величини радіуса земної кулі. При подальшому збільшенні відстані площа кільця знову зменшується і енергія хвилі концентрується. Характер зміни напруженості електричного поля довгих хвиль з відстанню при великій відстані від передавача зображений на рис. 5.3 суцільною лінією. Пунктирна крива показує характер зміни напруженості електричного поля в сферичному хвилеводі з ідеально провідними стінками.
Мал. 5.3. Залежність напруженості електричного поля довгих хвиль від відстані: 1 - без урахування поглинання; 2 - з урахуванням поглинання
Формула Остіна має наступний вигляд:
де кут # 952; позначений на рис. 5.2.
Наявність в знаменнику цієї формули величини
відображає залежність напруженості електричного поля від відстані, зображену на рис. 5.3 пунктирною кривою. Як видно з рис. 5.3, на відстанях від передавача, відповідних антіподним (діаметрально протилежним) точкам земної кулі, спостерігається істотне збільшення напруженості поля. Це явище називається ефектом антипода.
Недоліком довгих хвиль є неможливість передачі широкої смуги частот, необхідної для трансляції розмовної мови або музики. В даний час довгі і наддовгі радіохвилі застосовуються головним чином для телеграфного зв'язку на далекі відстані, а також для навігації.
Умови розповсюдження наддовгих радіохвиль досліджують, спостерігаючи за грозами. Грозовий розряд являє собою імпульс струму, що містить коливання різних частот - від сотень герц до десятків мегагерц. Основна частина енергії імпульсу грозового розряду доводиться на діапазон коливань, відповідний наддовгим хвилях. Коливання від місця виникнення поширюються на всі боки, причому хвилі різної довжини при поширенні відчувають різне поглинання і приходять в різної фазі. В результаті імпульс, який прийшов на значну відстань від місця розряду, спотворюється. За спотворення імпульсу вивчають властивості сферичного хвилеводу Земля - іоносфера [32].
В діапазоні довгих хвиль спостерігається своєрідна перешкода - "свистячий атмосферика". Він сприймається на слух як сигнал, частота якого змінюється в часі за (0,5 ÷ 1 з приблизно від 400 до 8000 Гц). Джерелом "свистячого атмосферика" є грозовий розряд, що збуджує наддовгі хвилі. Як було показано в § 4.12, при поширенні хвилі в іонізованому газі в напрямку силових ліній постійного магнітного поля при f Сигнал, відбитий від земної поверхні, проходить зворотний шлях і може бути прийнятий в місці виникнення грозового розряду. Час запізнювання таких сигналів становить 2 ÷ 3 с, звідки випливає, що вони проходять шлях в багато тисяч кілометрів, віддаляючись від Землі на відстань 10000 ÷ 15000 км. Це явище привернуло увагу дослідників тому, що спостереження за "свистячими атмосфериками" дозволяє отримати відомості про стан магнітного поля Землі і щільності середовища на великій відстані від її поверхні [31].
Мал. 5.4. Схема поширення 'свистячих атмосфериків': 1 - грозовий розряд; 2 - силові лінії магнітного поля Землі; 3 - шлях короткого 'свистячого атмосферика'; 4 - шлях довгого 'свистячого атмосферика'Схожі статті