Еще в 1931 г. советским инженером, любителем астрономии Н. А. Ивановым было обнаружено, что при пролете метеорного тела изменяется слышимость коротковолновых станций. С 1946 г. в Советском Союзе начаты наблюдения за метеорами с помощью радиолокационных станций, а с 1952 г. начато изучение возможности радиосвязи путем рассеяния метровых радиоволн на ионизированных следах метеоров. В 1955—1957 гг. начали работать системы радиосвязи, использующие отражение радиоволн от следов метеоров. Этот же способ распространения радиоволн используется радиолюбителями для установления дальних УКВ радиосвязей.
Метеорами называют мелкие тела, вторгающиеся в верхние слои атмосферы и полностью испаряющиеся. Более крупные тела, создающие мощную вспышку при проникновении в атмосферу, называют болидами, а их несгоревшие остатки, достигающие поверхности Земли, представляют собой метеориты.
Метеоры принадлежат Солнечной системе и движутся по разнообразным эллиптическим орбитам со скоростями от 11 до 72 км/с.
Различают метеорные потоки — совокупность метеоров, движущихся с одной скоростью, по определенным орбитам, и спорадические, случайные метеоры, не относящиеся к какому-либо потоку. Орбиты метеорных потоков пересекаются с орбитой Земли в определенное время, и в это время число наблюдаемых метеоров резко возрастает. Потоки бывают постоянно действующие, повторяющиеся ежегодно, или периодические, наблюдаемые не каждый год. Время появления основных постоянных и периодических потоков указано в табл. 1. Название метеорного потока соответствует наименованию созвездия, в направлении которого появляется поток. Наибольшее число потоков наблюдается с мая по сентябрь. В течение суток плотность метеорных потоков непостоянна. На рис. 56 приведен график суточного изменения числа наблюдаемых метеоров, зарегистрированных радиолокационными наблюдениями в г. Харькове в 1959 г., из которого видно, что наибольшее число метеоров наблюдается примерно в 6 ч, а наименьшее в 18 ч по местному времени.
| Поток | Дата начала и конца потока |
|---|---|
| Постоянно действующие потоки | |
| Квадрантиды | 1—4 января |
| Виргиниды | 14—23 марта |
| Лириды | 20—23 апреля |
| Аквариды | 5—27 мая |
| Дневные Ариетиды | 29 мая — 18 июня |
| Дневные Персеиды | 1—16 июня |
| Дневные Тауриды | 24 июня — 6 июля |
| Северные Аквариды | 4 июля — 3 августа |
| Южные Аквариды | 4 июля — 13 августа |
| Персеиды | 5—14 августа |
| Южные Ариетиды | 10—21 октября |
| Ориокиды | 11—27 октября |
| Южные Тауриды | 15 сентября — 15 декабря |
| Северные Тауриды | 11—23 октября |
| Гемениды | 9—14 декабря |
| Периодические потоки | |
| Дракониды | 10 октября |
| Леониды | 15—18 ноября |
Масса метеорных тел составляет доли грамма, причем преобладают мелкие частицы, массой примерно в десятимиллионную часть грамма (10-7 г.).
Таких мелких частиц за сутки в атмосферу Земли попадает до миллиарда (1012 метеоров). Атомы испаряющегося метеорного вещества сталкиваются с молекулами атмосферных газов, в результате чего «выбиваются» электроны и в атмосфере на высоте 90—110 км происходит местная ионизация. За каждой частицей возникает ионизированный след, вначале узкий, а затем быстро расширяющийся. Длина следа метеора составляет 15—20 км. Метеорный след быстро рассасывается и существует не долее 10—20 с. При пролете метеорного тела в области действия радиолокатора на экране индикатора отмечается характерное эхо. Наблюдения показали, что отражение происходит на высоте 70—120 км на расстоянии 700—1000 км от станции. Вид отраженных сигналов, наблюдаемых на осциллографе, показан на рис. 57. В момент появления метеорного следа в зоне действия радиолокатора на экране осциллографа появляется резкий всплеск. По мере того на ионное облако следа метеора рассеивается, сигнал уменьшается и замирает. Длительность отражения не превосходит 10 с, и отражения, длящиеся менее 1 с, наблюдаются в 100 раз чаще, чем отражения, длящиеся около 10 с.
Было обнаружено, что более интенсивные и длительные отражения получаются на более длинных волнах метрового диапазона, а на волнах частотой выше 100 МГц отражения наблюдаются крайне редко.
Радиолокационные наблюдения метеоров натолкнули на мысль о возможности использования отражения радиоволн от следов метеорных тел для радиосвязи.
Первыми и здесь оказались радиолюбители. Еще в 1950—1951 гг. радиолюбителям Канады и США удалось осуществить кратковременные радиосвязи рассматриваемого типа при работе на волнах длиной 10— 20 м на расстоянии 1500 — 2000 км. При этом использовались передатчики мощностью до 500 Вт.
В 1955 г. была начата работа по осуществлению экспериментальных линий радиосвязи, использующих кратковременные отражения радиоволн от следов метеоров. В результате были созданы по крайней мере две экспериментальные линии радиосвязи: двусторонняя телеграфная линия связи длиной 1050 км между Оттавой и Порт-Артуром в Канаде и односторонняя телеграфная и телефонная линия длиной 1312 км в Калифорнии. Испытание этих линий показало, что они могут обеспечить связь с большой степенью надежности. Благодаря тому, что метеорные следы существуют в ионосфере только короткие промежутки времени, радиосвязь за счет отражения от следов метеоров может осуществляться только с перерывами. В настоящее время разработана аппаратура, работающая таким образом, что передача информации происходит только но время присутствия достаточно интенсивных метеорных следов. Такую прерывную работу линии связи называют методом перемежающейся связи.
Рассмотрим, как осуществляется работа линии методом перемежающейся связи (рис. 58). На обоих концах линии применяется одинаковая аппаратура. Она включает передатчик и приемник, работающие на общую антенну, управляющее устройство, входной и выходной накопители. В качестве антенн применяются пятиэлементные антенны типа волновой канал, излучающие под таким углом к горизонту, чтобы их диаграммы направленности пересекались на высоте 90—110 км над земной поверхностью. Применение более сложных антенн с узкими диаграммами направленности не дает выигрыша, так как антенны в этом случае облучают меньшую часть небесной сферы и меньшее количество следов метеоров попадает в зону действия антенн и, следовательно, может быть использовано. На радиолиниях, использующих отражения радиоволн от следов метеоров, можно применять волны частотой 30—80 МГц.
В описанной системе оба передатчика непрерывно излучают немодулированные колебания постоянной частоты около 40 МГц. При этом передатчик первой станции и приемник второй работают на одной частоте, а приемник первой станции и передатчик второй — на другой частоте, отличающейся от первой примерно на 1 МГц. Пока в области пересечения диаграмм направленности передающей и приемной антенн нет метеорной ионизации, прием отсутствует. При появлении метеорного следа оба приемника начинают принимать немодулированные колебания, излучаемые корреспондирующими пунктами. Принятые колебания поступают в управляющее устройство (рис. 59), и, если их уровень превосходит установленное пороговое отношение сигнал/шум, управляющее устройство отпирает манипулятор передатчика. Информация, предварительно зашифрованная специальным кодом, поступает из накопительного устройства передатчика в манипулятор, манипулирующий с большой скоростью несущую частоту передатчика.
Спустя несколько секунд (или долей секунды) после появления метеора след его рассеивается. Уровень принимаемого сигнала падает ниже порогового значения, и управляющее устройство выключает манипулятор.
Принятая информация из накопительного устройства приемника поступает на выход с постоянной скоростью 60 слов в минуту. Во время вспышек информация передается по радиолинии со скоростью 1300 слов в минуту, что несмотря на перемежающийся характер связи дает возможность получить среднюю скорость не ниже обычной. Во входное устройство информация подается в виде перфорированной бумажной ленты. На выходе линии связи в конечном счете получается печатный текст.
Мощность передатчика для работы в системе перемежающейся связи может быть небольшой. В описанной системе использовался передатчик мощностью 750 Вт. Полоса пропускания приемников составляла 3 кГц. За время работы системы было обнаружено, что пропускная способность линии в течение суток меняется примерно так же, как и количество появляющихся метеоров На рис. 57 показано, как изменяется суммарное время передачи за час. Из графика следует, что в 6 ч утра условия работы наилучшие, а в 18—20 ч линию можно использовать наименее эффективно.
Преимущества таких систем связи особенно существенны для приполярных районов, так как такой вид связи не подвержен нарушениям, связанным с ионосферными бурями, от которых так страдает коротковолновая связь в этих местах.
Существует мнение, что применение системы перемежающейся связи экономически более выгодно, чем использование ионосферного рассеяния метровых волн.
В настоящее время возможность распространения радиоволн путем отражения от метеорных следов используется на радиолиниях различного назначения. Главным образом это линии радиосвязи в приполярных районах, в том числе радиосвязи с самолетами, радиолинии для передачи метеорологических наблюдений, системы дистанционной синхронизации времени.
Всем радиолиниям метеорного отражения свойственны общие особенности. Работа радиолиний возможна в пределах прямой видимости метеорного слоя с передающего и приемного конца радиотрассы; практически предельная протяженность радиолинии составляет 2200 км. При этом не требуется сложных антенных устройств, а мощность передатчика может не превышать 0,5—2 кВт. Для работы радиолиний пригодны волны метрового диапазона (30—80 МГц), на которых уровень помех невысок. При передаче широкополосного сигнала возникают искажения, поэтому по радиолиниям метеорного отражения можно передавать телеграфные сообщения или другие узкополосные сигналы. Необходима сложная аппаратура, обеспечивающая передачу сообщений за время существования метеорного следа.
Радиолюбители не только первыми начали использовать метеорную радиосвязь, но и продолжают развивать этот вид передачи сообщений, способствуя изучению его особенностей и возможностей. В каждом номере журнала «Радио» можно найти сообщение о дальних метеорных радиосвязях радиолюбителей.
Интересно, что радиолюбители работают на более высоких частотах, чем линии регулярной радиосвязи. Конечно, лучше всего устанавливаются дальние радиосвязи во время метеорных потоков. Во время метеорного потока Персеиды с 10 до 13 августа 1976 г. наблюдалось хорошее прохождение радиоволн частотой 144 МГц. Радиолюбители Минска, Кирова и ряда других городов устанавливали радиосвязь с 15 и даже 30 корреспондентами, находящимися на расстоянии до 2000 км. Случаи прохождения радиоволн частотой 430 МГц крайне редки, но 12 августа 1977 г. двум шведским радиолюбителям посчастливилось установить такие связи на расстояние, превышающее 1000 км.
В декабре 1977 г. во время потока Геминид радиолюбитель из Ростова-на-Дону установил радиосвязь на частоте 144 МГц с пятью корреспондентами. Во время потока Акваридов в мае и июле 1979 г. смоленскому радиолюбителю удалось установить радиосвязь с корреспондентами из Югославии, Швеции, Бельгии.
Возможно, что наблюдения радиолюбителей позволят в дальнейшем использовать и для радиолиний регулярной связи частоты выше 100 МГц.