Распространениерадиоволн в ионосфере

Стабильный приём дальних радиовещательных станций зависит от используемых частот, а также от времени суток, сезона и, кроме того, от солнечной активности. УФ-излучения Солнца усиливает ионизацию в ионосфере. Радиоволны, излучаемые наземной станцией, распространяются прямолинейно, как и все виды электромагнитных колебаний. Однако следует учесть, что как поверхность Земли, так и ионизованные слои ее атмосферы, служат как бы обкладками огромного конденсатора, воздействующими на радиоволны подобно действию зеркал на свет (см. далее).

Попеременно отражаясь от ионизованного слоя, а затем от поверхности Земли длинные радиоволны могут преодолевать многие тысячи километров, огибая земной шар громадными скачками в сотни и тысячи км. В 20-х годах прошлого столетия считалось, что радиоволны короче 200 м вообще не пригодны для дальней связи из-за сильного поглощения.Первые эксперименты по дальнему приёму коротких волн через Атлантику между Европой и Америкой провели английский физик Оливер Хэвисайд и американский инженер-электрик Артур Кеннели. Независимо друг от друга они предположили, что где-то вокруг Земли существует ионизированный слой атмосферы, способный отражать короткие радиоволны. Его назвали слоем Хэвисайда-Кеннели, а затем – ионосферой.

Согласно современным представлениям ионосфера состоит из отрицательно заряженных свободных электронов и положительно заряженных ионов, в основном молекулярного кислорода O+ и окиси азота NO+. Ионы и электроны образуются в результате диссоциации молекул и ионизации нейтральных атомов газа солнечным рентгеновским и ультрафиолетовым излучением. Для того, чтобы ионизовать атом необходимо сообщить ему энергию ионизации, основным источником которой для ионосферы является ультрафиолетовое и рентгеновское излучение Солнца.

Пока газовая оболочка Земли освещена Солнцем, в ней непрерывно образуются всё новые и новые электроны, но одновременно часть электронов, сталкиваясь с ионами, рекомбинирует, вновь образуя нейтральные частицы. После захода Солнца образование новых электронов почти прекращается, и число свободных электронов начинает убывать. Чем больше свободных электронов в ионосфере, тем лучше от неё отражаются волны высокой частоты. С уменьшением электронной концентрации прохождение радиоволн возможно только на низкочастотных диапазонах. Вот почему ночью, как правило, возможен приём дальних станций лишь в диапазонах 75, 49, 41 и 31 м.

На высоте от 50 до 400 км имеется несколько слоёв или областей повышенной концентрации электронов. Эти области плавно переходят одна в другую и по-разному влияют на распространение радиоволн КВ диапазона. Верхний слой ионосферы обозначают буквой F. Здесь наиболее высокая степень ионизации (доля заряженных частиц порядка 10–4). Она расположена на высоте более 150 км над поверхностью Земли и является основным отражателем высокочастотных радиоволн КВ диапазонов. В летние месяцы область F распадается на два слоя – F1 и F2. Слой F1 может занимать высоты от 200 до 250 км, а слой F2 как бы «плавает» в интервале высот 300 – 400 км. Обычно слой F2 ионизирован значительно сильнее слоя F1. Ночью слой F1 исчезает, а слой F2 остаётся, медленно теряя до 60% степени своей ионизации. Ниже слоя F на высотах от 90 до 150 км расположен слой E, ионизация которого происходит под воздействием мягкого рентгеновского излучения Солнца. Степень ионизации слоя E ниже, чем слоя F, днём приём станций низкочастотных КВ диапазонов 31 и 25 м происходит при отражении сигналов от слоя E. Обычно это станции, расположенные на расстоянии 1000 - 1500 км. Ночью в слое E ионизация резко уменьшается, но и в это время она продолжает играть заметную роль в приёме сигналов станций диапазонов 41, 49 и 75 м.

Большой интерес для приёма сигналов высокочастотных КВ диапазонов 16, 13 и 11 м представляют возникающие в слое E облака сильно повышенной ионизации. Площадь этих облаков может изменяться от единиц до сотен квадратных километров. Этот слой повышенной ионизации получил название – спорадический слой Es. Облака слоя Es могут перемещаться в ионосфере под воздействием ветра и достигать скорости до 250 км/час. Летом в средних широтах в дневное время прохождение радиоволн за счёт облаков Es происходит 15 – 20 дней в месяц. В районе экватора слой Es присутствует почти всегда, а в высоких широтах обычно появляется ночью. Иногда, в годы низкой солнечной активности, когда не проходят волны высокочастотного КВ диапазона, в диапазонах 16, 13 и 11 м внезапно возникает хорошая слышимость удаленных станций, сигналы от которых многократно отразились от слоя Es.

Самая нижняя область ионосферы – область D расположена на высотах между 50 и 90 км. Здесь сравнительно мало свободных электронов. От области D хорошо отражаются длинные и средние волны.