Распространение с помощью отражения от северного сияния

Как уже не раз говорилось, часть атмосферы, занимающая нижнюю (до 100 км), прилегающую к поверхности земли область, имеет большое значение для организации радиосвязи на протяженные расстояния. В этом пространстве возникает отражение от спорадических слоев Е_с, а также от метеорных следов.

Кроме того, в этой области возникает еще один вид отражения, а именно отражение от северного сияния. С использованием этого вида отражения на территории Западной Европы можно установить радиосвязь на расстояния до 1600 км. Сразу отметим, что этот вид радиосвязи сопровождается сильным модуляционным шумом, обусловленным способом распространения сигнала с помощью отражения от северного сияния. Этот шум вызван эффектом Доплера. Так, например, для частоты 144 МГц девиация частоты, вызванная этим эффектом, достигает 300—900 Гц, причем изменение частоты носит нерегулярный, пульсирующий характер. Несмотря на это, радиолюбители Польши во время появления северного сияния установили радиосвязь с корреспондентами, находящимися в Англии, Бельгии и Голландии, в диапазонах 144 и 432 МГц.

Как показывают результаты теоретического анализа и экспериментальных исследований, территория, на которой с помощью отражения от полярного сияния можно установить радиосвязь, достаточно ограничена.

Приведем основную информацию, касающуюся механизма возникновения отражения от полярного сияния.

1. Северное сияние появляется в результате сильной ионизации атмосферы корпускулярным излучением Солнца. Во время вспышек с поверхности Солнца выбрасывается интенсивный поток корпускул. Спустя 12—24 ч Земля может оказаться под воздействием этого потока, что приводит к резкому изменению условий распространения в атмосфере.

2. Известно, что Земля окружена собственным магнитным полем. Также известно, что положения магнитного и географического полюсов не совпадают. Корпускулярный поток, представляющий собой поток заряженных частиц, перехватывается магнитным полем Земли и концентрируется в полярных ее областях.

3. Параллели магнитного поля Земли не совпадают с географическими параллелями (рис. 4.27). Кроме того, их положение претерпевает во времени слабые изменения. Напряженность магнитного поля Земли составляет обычно 40 А/м, а во время магнитных бурь подвергается сильному изменению. Магнитные бури, главным образом, вызываются сконцентрированным потоком корпускул (протонов), которые обладают собственным магнитным полем. Поток, нарушающий магнитное поле Земли, характеризуется величиной А_к. Во время магнитных бурь часть заряженных частиц, проникая с поясов радиации в низшие слои атмосферы, приводит к ее дополнительной ионизации. При сильной ионизации могут появляться видимые невооруженным глазом светящиеся облака, столбы и другие образования.

   

4. Для отражения от северного сияния необходимо, чтобы угол между направлением падения волны и линией магнитного поля был почти прямым. Для волны длиной 2 м отклонение угла от прямого может достигать ±3°, а для более длинных волн — большую величину. Это требование является основным ограничением при установлении связи с помощью отражения от северного сияния (рис. 4.28).

   

5. Волна, излученная по касательной к поверхности Земли, после отражения от северного сияния на высоте около 100 км возвращается на поверхность Земли. Так как отражающая поверхность северного сияния состоит из ряда отдельных областей, каждая из которых изменяет во времени свою ориентацию, имеется достаточно обширная область поверхности Земли, примыкающая к полярной, для которой радиосвязь с использованием отражения от северного сияния может быть достаточно эффективной. Однако месторасположение района, с которым можно осуществить данный вариант радиосвязи, постоянно меняется во времени.

6. Следует иметь в виду, что область, в которой можно осуществить радиосвязь с использованием отражения от полярного сияния, сравнительно невелика и лежит в пределах ±3° от направления отраженной волны (рис. 4.28). На рис. 4.27 показана область, в которой можно осуществить радиосвязь с использованием отражения от полярного сияния на трассе Волштынь—Лондон. Наиболее благоприятная возможность для такой радиосвязи возникает при появлении полярного сияния в районе, обозначенном жирной линией.

7. Вероятность организации радиосвязи с использованием отражения от полярного сияния зависит от уровня А_к, а также от времени суток.

   На рис. 4.29 приведены некоторые количественные оценки, характеризующие статистический характер появления возможности организации рассматриваемого вида радиосвязи. Так, например, на рис. 4.29а приведена гистограмма числа радиосвязей за период 28—29 октября 1961 г., осуществленных с помощью отражения от полярного сияния в диапазоне 144 МГц. На приведенной гистограмме хорошо различаются два максимума, один из которых приходится на 16.00, а второй на 21.00 (время местное).

   

   При больших значениях A_K (≥ 60), что соответствует появлению над территорией Польши полярного сияния, которое можно наблюдать невооруженным глазом, удается осуществить радиосвязь с корреспондентами, проживающими в Чехословакии и даже в Швейцарии.

8. Для рассматриваемого вида радиосвязи обычно используется трех—десятиэлементные антенны типа Уда—Яги. Следует отметить, что применение остронаправленных антенн не всегда выгодно. Дело в том, что остронаправленная антенна освещает только определенную область, в которой может возникнуть полярное сияние. Использование менее направленных антенн эквивалентно повышению вероятности того, что антенна освещает область, в которой отражающие свойства полярного сияния проявляются максимальным образом. Практика показала, что для этого вида радиосвязи достаточно использовать антенны с усилением 6—14 дБ и передатчик с мощностью порядка 100 Вт.

   Годовой ход вероятности появления радиосвязи с использованием отражения от полярного сияния обусловлен изменением наклона оси Земли к плоскости вращения Земли вокруг Солнца. На рис. 4.29б приведена гистограмма, характеризующая число N наблюдаемых полярных сияний, при которых возможна организация радиосвязей в Норвегии (N₁) и в Дании (N₂) по месяцам. Эта гистограмма получена в результате усреднения данных за достаточно большой период времени.

   Как уже отмечалось, при появлении пятен на Солнце, расположенных в районе ±16° солнечной широты, испускаемое Солнцем радиоактивное излучение практически не достигает поверхности Земли. С приближением пятен к экватору Солнца интенсивность излучения Солнца, достигающая поверхности Земли, значительно возрастает, что приводит к возрастанию интенсивности полярных сияний.