Погода в Санкт-Петербурге | Pogoda78.ru

Влияние погоды на передачу радиоволн

Влияние погоды на передачу радиоволн

Польза, которую приносят нашей цивилизации радиоволны, поистине неоценима.

Однако практически с самого начала их использования во благо человечества скептики задаются вопросом: не приносят ли радиоволны вред организму человека? Множество исследований, проводимых разными научными группами, дают порой прямо противоположные результаты, поэтому единого мнения на этот счёт по-прежнему нет.

Радиоволны, выражаясь сухим научным языком, представляют собой электромагнитные колебания, которые распространяются со световой скоростью. Их частота может составлять от 100 кГц до 300 ГГц. Данный диапазон официально регламентируется как особыми документами РФ, так и международными соглашениями. Волнами эти колебания называют потому, что переменное электромагнитное поле непрерывно изменяет своё состояние, сродни волнам, которые мы привыкли видеть на поверхности воды.

Волновую природу имеют свет, звук и даже радиоактивное излучение. Магнитное поле земли же, наоборот, имеет постоянный характер.

Вот главные ключевые параметры, характеризующие радиоволны:

Частотой называют количество колебаний, которое электромагнитное поле совершает за одну секунду. Выражают её в герцах (сокращённое обозначение – Гц). Размах колебаний, совершаемых полем, выражают посредством амплитуды.

Она является значением наибольшего отклонения величины колебания от условного или фактического нуля. Что до модуляции, то она представляет собой изменение частотных характеристик волн с целью передачи с помощью радиоволн определённого вида информации, к примеру, звука. Не все звуки, которые передаются с помощью электромагнитного поля, могут быть услышаны человеческим ухом, поэтому специальный демодулятор радиоприёмника выделяет из всего потока колебаний, лишь те, которые могут быть преобразованы в слышимый звук.

Влияние радиоволн на организм и электроприборы

Кожный покров человека, точнее, его внешние слои, абсорбирует (поглощает) радиоволны, вследствие чего выделяется тепло, которое абсолютно точно можно зафиксировать экспериментально. Максимально допустимое повышение температуры для человеческого организма составляет 4 градуса. Из этого следует, что для серьёзных последствий человек должен подвергаться продолжительному воздействию довольно мощных радиоволн, что маловероятно в повседневных бытовых условиях.

Впрочем, отдельные части тела (к примеру, глазные яблоки) вследствие меньшего снабжения кровью менее приспособлены к отводу тепла.

Нетепловые эффекты от воздействия радиоволн также часто указываются в качестве возможных вредных факторов влияния на здоровье человека. Среди вероятных негативных эффектов озвучивают ухудшение кровообращения, затруднение деятельности головного мозга и даже генетические мутации. Кое-какие из этих предположений доказаны экспериментально, но дело заключается в том, что испытания проводились либо на животных, либо на клеточных культурах. Соответственно, вопрос о вредности нетермических эффектов от радиоволн для человека остаётся открытым.

Много говорится в околонаучных и научных кругах и о помехах, которые радиоволны могут создавать для электроприборов. Широко известно, что электромагнитное излучение препятствует качественному приёму телесигнала. Смертельно опасны радиоволны для владельцев электрических кардиостимуляторов – последние имеют чёткий пороговый уровень, выше которого электромагнитное излучение, окружающее человека, подниматься не должно.

Все приборы, позиционируемые производителями как защищающие от вредного воздействия радиоволн, на практике бесполезны. Единственно правильным способом является нахождение на максимально возможном расстоянии от передающей антенны. Установлено, что приближение к источнику излучения на близкое расстояние увеличивает дозу облучения чуть ли не в геометрической прогрессии.

Конечно, мы не можем рассмотреть абсолютно все рукотворные объекты, являющиеся излучателями радиоволн.

Но те, с которыми человек сталкивается в процессе своей жизнедеятельности, приведены ниже:

• мобильные телефоны;
• радиопередающие антенны;
• радиотелефоны системы DECT;
• сетевые беспроводные устройства;
• Bluetooth-устройства;
• сканеры тела;
• бебифоны;
• бытовые электроприборы;
• высоковольтные линии электропередач.

Частота волн, излучаемых «мобильниками», различается в зависимости от используемого стандарта мобильной связи: от 880 до 2170 МГц. У телефонов, работающих по стандарту GSM-900, мощность излучения не превышает 2 Вт, а по стандарту GSM-900 – 1 Вт. Частота модуляции стандарта GSM составляет 217 Гц, стандарт CDMA же работает в непульсирующем режиме.

Человек, говорящий по мобильному телефону, наверняка замечает, что у него нагревается ухо. Сила нагрева зависит от типа телефона и его антенны, а также мощности излучения. Степень такого излучения контролируется по специальному показателю SAR. Согласно нему, предельно допустимое значение мощности составляет 2 Вт на килограмм живого веса. Наиболее подвержены воздействию излучения от мобильных телефонов глаза.

В 2003 году исследования шведских учёных доказали, что радиоизлучение повреждает нервные клетки головного мозга и нарушает его токи. Немецкое федеральное ведомство по защите от радиоизлучений, правда, заявило, что не признаёт этих выводов, так как располагает другими данными. Также, исследования компании Interphone позволили утверждать, что между использованием мобильной связи и риском развития рака головного мозга нет никакой взаимосвязи. Не получили никаких весомых доказательств и предположения о том, что радиоволны, генерируемые мобильными телефонами, несут опасность для функциональности сперматозоидов и вызывают нарушения цепочек ДНК.

В России для определения максимально возможной мощности излучения мобильных телефонов существует понятие значения Плотности потока энергии (ППЭ), которое не должно превышать 500 мкВт на кв. см. Для минимизации вредного воздействия телефонов на организм, специалисты рекомендуют выбирать модели с меньшей мощностью излучения и использовать беспроводные гарнитуры.

Антенны, в основном, обладают мощностью излучения до 100 Вт. Предельно допустимые значения сводят к минимуму их вредное термическое воздействие. Австрийские медики заявляли, что имеется корреляция между мощностью используемых антенн и жалобами на головную боль от проживающих в округе людей.

Другая же группа учёных из Германии установила, что более склоны страдать от болей в голове как раз те люди, которые верят во вред радиоволн, испускаемых антеннами. Предельно допустимые значения излучения антенн для Украины составляют 2,5 мкВт/кв. см, а для России – 10 мкВт/кв. см.

Радиотелефоны системы DECT

Подобные радиотелефоны имеет рабочую частоту от 1880 до 1900 МГц. При максимальной плотности излучения в 250 мВт, показатель ППЭ для них равен 20 мкВт/кв. см. Современные модели гораздо лучше, нежели ранние, защищают человека от вредного воздействия радиоволн, снижая мощность излучения до безопасного уровня. Импульсы, генерируемые радиотелефоном настолько коротки во времени, что не могут причинять термического воздействия.

Как и в случае с мобильными аналогами, радиотелефоны не удалось «обвинить» в возникновении рака головного мозга. Предельно допустимые значения, требуемые для радиотелефонов, не отличаются от подобных ограничений, накладываемых на мобильные телефоны.

Сетевые беспроводные устройства

Устройства WLAN используют различную частоту, при её значении в 2400 МГц максимальная мощность излучения составляет 0,1 Вт, а при 5400 МГц – 1 Вт. Термическое воздействие на организм человека, учитывая удалённость устройств от тела, маловероятно.

Биологи утверждают, что волны, генерируемые сетевыми беспроводными устройствами, «перекрывают» диапазон альфа-волн человеческого мозга, но конкретных доказательств вредного воздействия найдено не было. Максимально допустимый уровень излучения WLAN-устройств составляет 0,08 Вт на килограмм живого веса.

Эти приборы имеют частоту около 2400 МГц при максимальной мощности излучения в 100 мВт. Достоверно известно, что термического воздействия приспособления Bluetooth практически не оказывают.

Что касается нетермических эффектов – нет никаких основательных и проверяемых данных об их опасности или безопасности. Показатель SAR составляет 2 Вт на килограмм живого веса.

Подобные медицинские устройства генерируют волны частотой от 10 ГГц до 1 ТГц. В процессе измерения мощность их излучения не превышает 6 мВ/м. В принципе, излучение появляется лишь в ходе измерения и делается это с целью усиления контрастности получаемого изображения. Данных о вреде такого маломощного излучения нет.

Данные устройства, называемые также «радионянями», генерируют волны различной частоты, в зависимости от типа модели. При частоте 455 МГц мощность излучения составляет 500 мВт, при 2,4 ГГц – 100 мВт. Нахождение устройства на некотором расстоянии от ребёнка и непродолжительное время его непосредственной работы (только при громком плаче малыша) делает его неопасным для растущего человеческого организма.

Впрочем, сомнения в вопросе безопасности вызывают лишь бебифоны, работающие по технологии DECT. Показатель SAR составляет 0,08 Вт на килограмм живого веса.

Собственно, радиоволны вызывают не сами приборы, а их электропровода, особенно опасны в этом плане электродрели, пылесосы, отопительные приборы и телевизоры с кинескопами. Частота волн, исходящих от шнуров питания составляет 50 Гц. Напряжённость электромагнитного поля вокруг работающих приборов возрастает в случае нахождения поблизости других устройств, потребляющих электроэнергию.

Влияние подобных волн на функции головного мозга и риска развития рака грудной железы, несмотря на проводимые исследования, доказано не было. Некую слабую корреляцию удалось установить между продолжительной и регулярной работой в зоне влияния низкочастотных волн и риском развития болезни Альцгеймера. Подобная взаимосвязь наблюдается и в плане риска заболевания лейкемией. Предельно допустимая норма напряжения электрического поля составляет 5000 Вт/м, а применительно к магнитным полям – 100 мкТл.

Высоковольтные линии электропередач

ЛЭП излучают волны частотой 50 Гц. Мощность генерируемых волн зависит от силы напряжения, при 400 кВ она не превышает 60 мкТл. С увеличением расстояния до провода напряжённость электрического поля снижается. Среди лиц, которые проживают на расстоянии меньше 50 метров от высоковольтных линий электропередач, отмечается повышенная склонность к появлению болезни Альцгеймера.

Среди детей, проживающих в таких местах, резко возрастает количество больных лейкемией. Показатель ППЭ для магнитных полей ЛЭП составляет 100 мкТл.

Диапазон радиоволн и их распространение

В учебниках по физике приведены заумные формулы на тему диапазона радиоволн, которые порой не до конца понятны даже людям со специальным образованием и опытом работы. В статье постараемся разобраться с сутью, не прибегая к сложностям. Первым, кто обнаружил радиоволны, был Никола Тесла. В своем времени, где отсутствовало высокотехнологичное оборудование, Тесла не до конца понимал, что это за явление, которое он впоследствии назвал эфиром. Проводник с переменным электрическим током является началом радиоволны.

Источники радиоволн

К природным источникам радиоволн относятся астрономические объекты и молнии. Искусственным излучателем радиоволн является электрический проводник с движущимся внутри переменным электрическим током. Колебательная энергия высокочастотного генератора распространяется в окружающее пространство посредством радиоантенны. Первым рабочим источником радиоволн был радиопередатчик-радиоприёмник Попова. В этом устройстве функцию высокочастотного генератора выполнял высоковольтный накопитель, подключенный на антенну − вибратор Герца. Созданные искусственным способом радиоволны применяются для стационарной и мобильной радиолокации, радиовещания, радиосвязи, спутников связи, навигационных и компьютерных систем.

Диапазон радиоволн

Применяемые в радиосвязи волны находятся в диапазоне частот 30 кГц − 3000 ГГц. Исходя из длины и частоты волны, особенностей распространения, диапазон радиоволн подразделяется на 10 поддиапазонов:

1. СДВ - сверхдлинные.
2. ДВ - длинные.
3. СВ - средние.
4. КВ - короткие.
5. УКВ - ультракороткие.
6. МВ - метровые.
7. ДМВ - дециметровые.
8. СМВ - сантиметровые.
9. ММВ - миллиметровые.
10. СММВ - субмиллиметровые

Диапазон частот радиоволн

Спектр радиоволн условно поделен на участки. В зависимости от частоты и длины радиоволны подразделяются на 12 поддиапазонов. Диапазон частот радиоволн взаимосвязан с частотой переменного тока сигнала. Частотные диапазоны радиоволн в международном регламенте радиосвязи представлены 12 наименованиями:

При увеличении частоты радиоволны ее длина уменьшается, при уменьшении частоты радиоволны - увеличивается. Распространение в зависимости от своей длины – это важнейшее свойство радиоволны.

Распространение радиоволн 300 МГц − 300 ГГц называют сверхвысокими СВЧ вследствие их довольно высокой частоты. Даже поддиапазоны очень обширны, поэтому они, в свою очередь, поделены на промежутки, в которые входят определенные диапазоны телевизионные и радиовещательные, для морской и космической связи, наземной и авиационной, для радиолокации и радионавигации, для передачи данных медицины и так далее. Несмотря на то что весь диапазон радиоволн разбит на области, обозначенные границы между ними являются условными. Участки следуют друг за другом непрерывно, переходя один в другой, а иногда и перекрываются.

Особенности распространения радиоволны

Распространение радиоволн – это передача энергии переменным электромагнитным полем из одного участка пространства в другой. В вакууме радиоволна распространяются со скоростью света. При воздействии окружающей среды на радиоволны распространение радиоволн может быть затруднено. Это проявляется в искажении сигналов, изменении направления распространения, замедлении фазовой и групповой скоростях.

Каждая из разновидностей волн применяется по-разному. Длинные лучше могут обходить преграды. Это означает, что диапазон радиоволн может распространяться по плоскости земли и воды. Применение длинных волн широко распространено в подводных и морских суднах, что позволяет быть на связи в любой точке местонахождения в море. На волну длиной в шестьсот метров с частотой пятьсот килогерц настроены приемники всех маяков и спасательные станций.

Распространение радиоволн в различных диапазонах зависит от их частоты. Чем меньше длина и выше частота, тем прямее будет путь волны. Соответственно, чем меньше ее частота и больше длина, тем она более способна огибать преграды. Каждый диапазон длин радиоволн обладает своими особенностями распространения, однако на границе соседних диапазонов резкого изменения отличительных признаков не наблюдается.

Характеристика распространения

Сверхдлинные и длинные волны огибают поверхность планеты, распространяясь поверхностными лучами на тысячи километров.

Средние волны подвержены более сильному поглощению, поэтому способны преодолевать расстояние лишь 500-1500 километров. При уплотнении ионосферы в данном диапазоне возможна передача сигнала пространственным лучом, который обеспечивает связь на несколько тысяч километров.

Короткие волны распространяются лишь на близкие расстояния вследствие поглощения их энергии поверхностью планеты. Пространственные же способны многократно отражаться от земной поверхности и ионосферы, преодолевать большие расстояния, осуществляя передачу информации.

Сверхкороткие способны передавать большой объем информации. Радиоволны этого диапазона проникают сквозь ионосферу в космос, поэтому для целей наземной связи практически непригодны. Поверхностные волны этих диапазонов излучаются прямолинейно, не огибая поверхность планеты.

В оптических диапазонах возможна передача гигантских объемов информации. Чаще всего для связи используется третий диапазон оптических волн. В атмосфере Земли они подвержены затуханию, поэтому в реальности передают сигнал на расстояние до 5 км. Зато использование подобных систем связи избавляет от необходимости получать разрешения от инспекций по электросвязи.

Принцип модуляции

Для того чтобы передать информацию, радиоволну нужно модулировать сигналом. Передатчик испускает модулированные радиоволны, то есть измененные. Короткие, средние и длинные волны имеют амплитудную модуляцию, поэтому они обозначаются как АМ. Перед модуляцией несущая волна движется с постоянной амплитудой. Амплитудная модуляция для передачи изменяет ее по амплитуде, соответственно напряжения сигнала. Амплитуда радиоволны изменяется прямо пропорционально напряжению сигнала. Ультракороткие волны имеют частотную модуляцию, поэтому они обозначаются как ЧМ. Частотная модуляция накладывает дополнительную частоту, которая несет информацию. Для передачи сигнала на расстояние его нужно промодулировать более высокочастотным сигналом. Для принятия сигнала нужно отделить его от поднесущей волны. При частотной модуляции помех создается меньше, однако радиостанция вынуждена вещать на УКВ.

Факторы, влияющие на качество и эффективность радиоволн

На качество и эффективность приема радиоволн влияет метод направленного излучения. Примером может послужить спутниковая антенна, которая направляет излучение в точку нахождения установленного приемного датчика. Этот метод позволил существенно продвинуться в области радиоастрономии и сделать множество открытий в науке. Он открыл возможности создания спутникового вещания, передачи данных беспроводным методом и многое другое. Выяснилось, что радиоволны способны излучать Солнце, многие планеты, находящиеся вне нашей Солнечной системы, а также космические туманности и некоторые звезды. Предполагается, что за пределами нашей галактики существуют объекты, обладающие мощными радиоизлучениями.

На дальность радиоволны, распространение радиоволн оказывают влияние не только солнечное излучение, но и метеоусловия. Так, метровые волны, по сути, не зависят от метеоусловий. А дальность распространения сантиметровых сильно зависит от метеоусловий. Происходит из-за того, что водной среде во время дождя или при повышенном уровне влажности в воздухе короткие волны рассеиваются или поглощаются.

Также на их качество влияют и препятствия, оказывающиеся на пути. В такие моменты происходит замирание сигнала, при этом значительно ухудшается слышимость или вообще пропадает на несколько мгновений и более. Примером может послужить реакция телевизора на пролетающий самолет, когда мигает изображение и появляются белые полосы. Это происходит за счет того, что волна отражается от самолета и проходит мимо антенны телевизора. Такие явления с телевизорами и радиопередатчиками чаще происходят в городах, поскольку диапазон радиоволн отражается на зданиях, высотных башнях, увеличивая путь волны.

Влияние ионосферы на распространение радиоволн

Всякая система передачи сигналов состоит из трех основных частей:
передающего устройства,
приемного устройства
и промежуточного звена — соединяющей линии.
Для радиосистем промежуточным звеном является среда — пространство, в котором распространяются радиоволны. При распространении радиоволн по естественным трассам, т. е. в условиях, когда средой служит земная поверхность, атмосфера, космическое пространство, среда является тем звеном радиосистемы, которое практически не поддается управлению.
При распространении радиоволн в среде происходят изменение амплитуды поля волны (обычно уменьшение), изменение скорости и направления распространения, поворот плоскости поляризации и искажение передаваемых сигналов.
Земная поверхность оказывает существенное влияние на распространение радиоволн: в полупроводящей поверхности Земли радиоволны поглощаются; при падении на земную поверхность они отражаются; сферическая форма земной поверхности препятствует прямолинейному распространению радиоволн. Радиоволны, распространяющиеся в непосредственной близости от поверхности Земли (в масштабе длины волны) называют земными радиоволнами <1 на рис. 1). Рассматривая распространение земных волн, атмосферу считают средой без потерь с относительной диэлектрической проницаемостью е. равной единице.

Пути распространения радиоволн

Рис. 1. Пути распространения радиоволн

Влияние атмосферы учитывают отдельно, внося необходимые поправки.В окружающей Землю атмосфере различают три области, оказывающие влияние на распространение радиоволн: тропосферу, стратосферу и ионосферу. Границы между этими областями выражены не резко и зависят от времени и географического места.
Ионосферой называется область атмосферы на высоте 60—10 000 км над земной поверхностью. На этих высотах плотность воздуха весьма мала и воздух ионизирован, т. е. имеется большое число свободных электронов (примерно 103—106 электронов в 1 см3 воздуха). Присутствие свободных электронов существенно влияет на электрические свойства ионосферы и обусловливает возможность отражения от ионосферы радиоволн длиннее 10 м. При однократном отражении радиоволны могут перекрывать расстояние по поверхности Земли до 4000 км. В результате многократного отражения от ионосферы и поверхности Земли радиоволны могут распространяться на любые расстояния по земной поверхности. Радиоволны, распространяющиеся путем отражения от ионосферы или рассеяния в ней, называют ионосферными волнами 3.
На условия распространения ионосферных волн свойства земной поверхности и тропосферы влияют мало.

Наличие в верхних слоях атмосферы свободных электронов определяет электрические параметры ионизированного газа — его диэлектрическую проницаемость ε и проводимость γ
Число электронов, содержащихся в единице объема воздуха, называется электронной плотностью Na (см-3)
Электронная и ионная плотности ионосферы непостоянны по высоте, что приводит к преломлению и отражению радиоволн в ионосфере.

Распределение плотности электронов по высоте атмосферы.

Рис. 2 Распределение плотности электронов по высоте атмосферы.

Объемные неоднородности ионизированного газа вызывают рассеяние радиоволн Указанные явления определяют условия распространения радиоволн в ионосфере и в одних случаях могут быть использованы, а в других должны быть учтены при работе радиолиний.
Ионосфера в целом является квазинейтральной, т.е. количества имеющихся в ней положительных и отрицательных зарядов равны.
Температура газа, начиная с высоты h = 80 км, плавно возрастает, достигая 2000—3000 К при h=500—600 км Возрастание температуры с высотой в области ионосферы объясняется тем, что воздух здесь нагревается непосредственно излучением Солнца.
Основным источником ионизации земной атмосферы являются электромагнитные волны солнечного излучения длиной короче 0,1 мкм — нижний участок ультрафиолетового диапазона и мягкие рентгеновские лучи, а также испускаемые Солнцем потоки заряженных частиц Ультрафиолетовые и рентгеновские лучи производят ионизацию только на освещенной части земного шара и более интенсивно в приэкваториальных областях Заряженные частицы движутся по спиральным линиям в направлении магнитных силовых линии к магнитным полюсам земного шара и производят ионизацию главным образом в полярных областях Считают, что ионизирующее действие потока частиц составляет не более 50% ионизирующего действия ультрафиолетового излучения Солнца.
Ионизацию создают также метеоры, вторгающиеся в земную атмосферу со скоростями 11—73 км/с Кроме повышения среднего уровня ионизации метеоры создают местную ионизацию за метеором образуется столб ионизированного газа, который быстро расширяемся и рассеивается, существуя в атмосфере от одной до нескольких секунд Такие ионизированные следы метеоров образуются на высоте 80—120 км над земной поверхностью Характеристика метеорных частиц, попадающих в земную атмосферу, и плотность ионизированного следа, оставляемого ими, приведены в табл 1.

Масса частиц
т, г Радиус частиц,
см Число частиц падающих ежедневно на Землю Электронная плотность, Nэ см-3
1 0,4 105 2 1015
10-3 0.04 108 2 1014
10-5 0,008 1010 5 1013

После прекращения действия источника ионизации электронная плотность спадает по гиперболическому закону Поэтому с за ходом Солнца ионизация в нижних слоях ионосферы исчезает не мгновенно, а в верхних слоях — сохраняется в течение всей ночи.
Заметная электронная плотность появляется в атмосфере начиная с высоты примерно 60 км. Далее электронная плотность ионосферы меняется с высотой над земной поверхностью, а следовательно, и электрические свойства ионосферы неоднородны по высоте.
При распространении радиоволны в неоднородной среде ее траектория искривляется. При достаточно большой электронной плотности искривление траектории волны может оказаться настолько сильным, что волна возвратится на поверхность Земли на некотором расстоянии от места излучения, т. е. произойдет отражение радиоволны в ионосфере.
Отражение радиоволн, посланных с поверхности Земли на ионосферу, происходит не на границе воздух — ионизированный газ, а в толще ионизированного газа. Отражение может произойти только в той области ионосферы, где диэлектрическая проницаемость убывает с высотой а, следовательно, электронная плотность возрастает с высотой, т. е. ниже максимума электронной плотности ионосферного слоя.

Схема отражения радиоволн от ионосферы

Рис. 3. Схема отражения радиоволн от ионосферы.
Условие отражения связывает угол падения волны на нижнюю границу ионосферы φ с диэлектрической проницаемостью в толще самой ионосферы на той высоте, где происходит отражение волн (рис. 3):
sinφ0 = εn1/2 = (1 — 80,8Ne/f2)1/2
Здесь и далее Nэ — плотность электронов, см3, а частота f в кГц.

Чем больше значение Nэ, тем при меньших углах φо возможно отражение. Угол φо, при котором в данных условиях еще возможно отражение, называют критическим углом.

Отсюда можно определить рабочую частоту fφ при которой волны отразятся от ионосферы в случае заданных электронной плотности и угле падения:
fφ= (80,8Ne/cosφ0)1/2
Если волна нормально падает на ионосферу, то
fφ= (80,8 Ne)1/2 = f0
При нормальном падении волны отражение происходит на тон высоте, где рабочая частота равна собственной частоте ионизированного газа и, следовательно, ε=0. При наклонном падении на этой высоте могут отразиться радиоволны с более высокой частотой. Выполняется так называемый закон секанса, заключающийся в том, что при наклонном падении отражается волна частотой, в secφо раз превышающей частоту волны, отражающейся при вертикальном падении волны на слой заданной электронной плотности:
fφ = f0 secφ0
Чем больше электронная плотность, тем для более высоких частот выполняется условие отражения.
Максимальная частота, при которой волна отражается в случае вертикального падения на ионосферный слой, называется критической частотой fкр, отражение происходит вблизи максимума ионизации слоя:
fкр = (80,8 Neмакс)1/2
Сферичность Земли ограничивает максимальный угол φо :
sinφмакс = R0/(R0 + h0)
а следовательно, и максимальные частоты радиоволн, которые могут отразиться от ионосферы при данной электронной плотности.
К диапазону сверхдлинных волн (СДВ) относят волны длиной от 10 000 до 100 000 м (f = 30—3 кГц), а к длинным волнам (ДВ)—волны от 1000 до 10000 м (f = 300-30 кГц).
Токи проводимости для диапазонов СДВ и ДВ существенно преобладают над токами смещения для всех видов земной поверхности. Поэтому при распространении поверхностной волны происходит лишь незначительное проникновение ее энергии в глубь Земли. Сферичность Земли, служащая препятствием для прямолинейного распространения радиоволн, до расстояний 1000—2000 км остается соизмеримой с длиной волны, что способствует хорошему огибанию длинными волнами земного шара благодаря дифракции. Незначительные потери и oгибание земной поверхности обусловили возможность ДВ и СДВ распространяться земной волной на расстояние до 3000 км.
Начиная с расстояния 300—400 км помимо земной волны присутствует волна, отраженная от ионосферы. С увеличением расстояния напряженность электрического поля отраженной от ионосферы волны увеличивается, и на расстояниях 700—1000км поля земной и ионосферной волн становятся примерно равными. Суперпозиция этих двух волн дает интерференционную картину поля.
На расстоянии свыше 3000 км ДВ и СДВ распространяются только ионосферной волной. Для отражения длинных волн достаточно небольшой электронной плотности, так что днем отражение этих волн может происходить на нижней границе слоя D, а ночью—на нижней границе слоя Е. Проводимость в этой области ионосферы для ДВ довольно значительна (но в тысячи раз меньше, чем проводимость сухой земной поверхности) и токи проводимости оказываются того же порядка, что и токи смещения Следовательно, нижняя область ионосферы для ДВ обладает свойствами полупроводника.
На ДВ и особенно на СДВ электронная плотность слоев D и Е меняется резко на протяжении длины волны. Поэтому и отражение здесь происходит как на границе раздела воздух — полупроводник, без проникновения радиоволны в толщу ионизированного газа. Этим обусловлено слабое поглощение ДВ и СДВ в ионосфере.
Расстояние от земной поверхности до нижней границы ионосферы составляет 60—100 км, т. е. того же порядка, что и длина волн (ДВ и СДВ), так что волны распространяются между двумя близко расположенными полупроводящими концентрическими сферами, одной из которых является Земля, а другой — ионосфера. Условия распространения при этом примерно такие же, как и в диэлектрическом волноводе.
Как и во всяком волноводе, можно отметить оптимальные волны — волны, распространяющиеся с наименьшим затуханием, и критическую волну. Для волновода, образованного Землей и ионосферой, оптимальными являются волны длиной 25 — 35 км, а критической — волна длиной 100 км. Подобно законам распространения радиоволн в обычных волноводах, в сферическом ионосферном волноводе фазовая скорость радиоволн превышает скорость света в свободном пространстве.
К диапазону средних волн (СВ) относят радиоволны λ= 100 — 1000 м (f = 0,3 — 3 МГц). Диапазон СВ используется для радиовещания, радионавигации, радиотелеграфной и радиотелефонной связи; СВ могут распространяться как земными, так и ионосферными волнами.
Напряженность электрического поля земных волн определяется для малых расстояний, а для больших расстояний — по законам дифракции. СВ испытывают значительное поглощение в полупроводящей поверхности Земли, поэтому дальность распространения земной волны ограничена расстоянием 1000 км. Следует также учитывать, что неровности земной поверхности снижают эффективную проводимость почвы. Приближенно для равнинной местности γэфф = (0,5—0,7)γ, для, холмистой γэфф= (0,15—0,2)γ, для районов вечной мерзлоты γэфф = γ.

Ближние и дальние замирания на средних волнах

Рис. 4. Ближние и дальние замирания на средних волнах.

1 — земная волна;
2 — волна, отразившаяся от ионосферы один раз;
3 — волна, отразившаяся от ионосферы дважды.
На большие расстояния СВ, распространяются только в ночное время путем отражения от слоя Е ионосферы, электронная плотность которого оказывается достаточной для этого. В дневные часы на пути распространения СВ расположен слой D, который чрезвычайно сильно поглощает энергию этих волн. Поэтому при обычно применяемых мощностях передатчиков напряженность электрического поля на больших расстояниях оказывается недостаточной для приема и в дневные часы распространение СВ происходит практически только земной волной. Ионосферные возмущения не влияют на распространение СВ, так как слой Е мало нарушается во время ионосферно-магнитных бурь.
Замирания на средних волнах наблюдаются только в ночные часы, когда на некотором расстоянии от передатчика возможен приход одновременно пространственной и поверхностной волн в точку В, причем длина пути пространственной волны меняется с изменением электронной плотности ионосферы. Изменение разности фаз этих волн приводит к колебанию напряженности электрического поля во времени, называемому ближним замиранием. На значительное расстояние от передатчика (точка С) могут прийти волны путем одного или двух отражений от ионосферы. Изменение разности фаз этих двух волн также приводит к колебанию напряженности поля, называемому дальним замиранием. Скорость замираний невелика (период замираний составляет 1— 2 мин). Статистические характеристики замираний не исследованы.
Для борьбы с замиранием на передающем конце радиолинии применяются антенны с диаграммами направленности, прижатыми к земной поверхности. При такой диаграмме направленности зона ближних замираний удаляется от передатчика, а на больших расстояниях поле волны, пришедшей путем двух отражений, оказывается ослабленным.
К диапазону коротких волн (KB) относят волны длиною от 10 до 100 м (f = 30— 3 МГц). Волны KB диапазона распространяются земной волной на расстояние не более 100 км вследствие сильного поглощения в земной поверхности и плохих условий дифракции.

Схема распространения KB на большие расстояния

Рис. 5 Схема распространения KB на большие расстояния.

а — интерференция волн, отраженных однократно и двукратно от ионосферы,
1 — поверхностная волна;
2—волна, распространяющаяся путем одного отражения от ионосферы;
3 — волна, распространяющаяся путем двух отражений от ионосферы;
4 — волна, рабочая частота которой больше максимально допустимой;
б — интерференция рассеянных волн;
в—интерференция магниторасщепленных составляющих волн.
Распространение KB ионосферной волной происходит путем последовательного отражения от слоя F (иногда слоя Е) ионосферы и поверхности Земли. При этом волны проходят через нижнюю область ионосферы — слои Е и D, в которых претерпевают поглощение (рис. 5, а). Для осуществления радиосвязи на KB должны быть выполнены два условия: волны должны отражаться от ионосферы и напряженность электромагнитного поля в данном месте должна быть достаточной для приема, т. е. поглощение волны в слоях ионосферы не должно быть слишком большим. Эти два условия ограничивают диапазон применимых рабочих частот.

Для отражения волны необходимо, чтобы рабочая частота была не слишком высокой, а электронная плотность ионосферного слоя достаточной для отражения этой волны в соответствии с (3-44). Из этого условия выбирается максимальная применимая частота (МПЧ), являющаяся верхней границей рабочего диапазона.
Второе условие ограничивает рабочий диапазон снизу: чем ниже рабочая частота (в пределах коротковолнового диапазона), тем сильнее поглощение волны в ионосфере (см. рис. 5). Наименьшая применимая частота (НПЧ) определяется из условия, что при данной мощности передатчика напряженность электромагнитного поля должна быть достаточной для приема.
Электронная плотность ионосферы меняется в течение суток и в течение года. Значит, изменяются и границы рабочего диапазона, что приводит к необходимости изменения рабочей длины волны в течение суток:
— днем работают на волнах 10—25 м, а ночью на волнах 35—100 м.
Необходимость правильного выбора длины волны для сеансов связи в различное время усложняет конструкцию станции и работу оператора.
Зоной молчания KB называют кольцевую область, существующую на некотором расстоянии от передающей станции, в пределах которой невозможен прием радиоволн. Появление зоны молчания объясняется тем, что земная волна затухает и не достигает этой области, а для ионосферных волн, падающих под малыми углами на ионосферу, не выполняются условия отражения. Пределы зоны молчания (ВС) расширяются при укорочении длины волны и снижении электронной плотности.
Замирания в диапазоне KB более глубоки, чем в диапазоне СВ. Основной причиной замираний является интерференция лучей, распространяющихся путем одного и двух отражений от ионосферы. Помимо этого замирания вызываются рассеянием радиоволн на неоднородностях ионосферы и интерференцией рассеянных волн, а также интерференцией обыкновенной и необыкновенной составляющих магниторасщепленной волны.
При благоприятных условиях распространения KB могут огибать земной шар один и несколько раз. Тогда помимо основного сигнала может быть принят второй сигнал, запаздывающий примерно на 0,1 с и называемый радиоэхо. Радиоэхо оказывает мешающее действие, на линиях меридионального направления.
Радиосвязь на KB претерпевает нарушения, основной причиной которых являются ионосферно-магнитные бури. При этом слой F разрушается и отражение KB становится невозможным. Наиболее часто эти нарушения наблюдаются в приполярных районах и длятся от нескольких часов до двух суток. Второй вид нарушений — внезапные поглощения (наблюдаются только на освещенной части земного шара), которые длятся от нескольких минут до нескольких часов. Часто оба вида нарушений связи возникают одновременно.

Влияние радиоволн на организм человека

Добрый день, друзья! Приветствую Вас на нашем обучающем Интернет-портале “С компьютером на “ТЫ”. Сегодня я постараюсь ответить на вопрос, который волнует большинство из нас – Как влияют радиоволны на наш организм?

Земной шар опутан сложной паутиной радиоволн. Их опасность (или безопасность) является темой пристального изучения учеными-физиками и дискуссий простых людей. Нет, пожалуй, ни одного компьютерного журнала и веб-сайта, где бы не обговаривалось влияние радиоволн на организм человека. Множество исследований проводилось разными государствами, их число измеряется десятками тысяч. Однако, однозначного ответа о том, что вредное влияние радиоволн на здоровье человека имеет место быть, до сих пор получить не удалось.

Чтобы понимать, о чем говорят ученые и почему эта тема так волнует большинство жителей планеты, следует разобраться в самой сути радиоволн.

Что такое радиоволны?

Это электромагнитное излучение, при помощи которого в радиосетях происходит передача данных. Оно переносит энергию через пространство. Длина волны имеет очень большой диапазон, она распространяется со скоростью света (300 000 км/сек). Радиочастотный спектр, используемый государством, определяется его регламентом, а также международными соглашениями. Частотам радиоволн присваивают условные названия. Они зависят от их длины и распределяются между определенными службами. Россия использует радиочастотный спектр в диапазоне 100 кГц — 300 ГГц.

Электромагнитные поля разделяются на 2 вида:

1. Постоянное . Самый яркий пример — электромагнитное поле Земли. Оно генерируется источниками, находящимися внутри нее. Среди ученых по геомагнетизму получила широкое распространение следующая версия: магнитное поле образуется в токах жидкого металлического ядра планеты. В тех местах, где оно имеет вертикальное направление, находятся магнитные полюсы — северный и южный. А прямая, которая проходит через них — это магнитная ось.

2. Переменное . Распространяется волнами, которые можно сравнить с волнами на воде. В отличие от постоянного, имеет способность отделяться от своего источника, распространяться в свободном пространстве и существовать отдельно. Со скоростью света вместе с ним переносится его масса и импульс.

Параметры радиоволн

• Частота . Определяет, сколько колебаний радиоволны происходит за единицу времени в 1 сек. То есть, сколько раз изменяется величина поля за 1 секунду. Измеряется в герцах (Гц). 1 Гц означает 1 колебание в секунду. Соответственно, 1 МГц — это миллион колебаний радиоволны в секунду.
• Длина волны . Когда радиоволны находятся в одинаковой фазе, можно определить расстояние между 2-мя точками, соответствующих этим фазам. Это значение и называется длиной волны, оно измеряется в метрах. Чем больше частота, тем меньше длина волны.
• Амплитуда . Показывает размах колебаний радиоволны относительно положения равновесия. Она убывает с увеличением расстояния.
• Модуляция . При помощи этого процесса волны несут звуковой сигнал. Он усиливается и передается в динамик. Она существует 2-х видов: частотная (ЧМ) и амплитудная (АМ).

По каким параметрам различается воздействие радиоволн на организм?

1. Термическое действие можно объяснить на примере человеческого тела: встречая на пути препятствие — тело человека, волны проникают в него. У человека они поглощаются верхним слоем кожи. При этом, образуется тепловая энергия, которая выводится системой кровообращения.

2. Нетермическое действие радиоволн . Типичный пример — волны, исходящие от антенны мобильного телефона. Здесь можно обратить внимание на опыты, проводимые учеными с грызунами. Они смогли доказать воздействие на них нетермических радиоволн. Однако, не сумели доказать их вред на организм человека. Чем успешно и пользуются и сторонники, и противники мобильной связи, манипулируя сознанием людей.

Негативное действие на мозг человека, его детородную функцию, состав крови и нервную систему учеными не доказано. Однако, регулярно медицинские общества Америки высказывают свои предположения о вредном действии радиоволн на сперматозоиды, объясняя это их возможным повреждением. При этом, другие исследования, проведенные компетентным в этом вопросе ученым, профессором Фальзоном, опровергли эти заявления. Также он заявил, опираясь на факты, о намеренной фальсификации результатов одной из сотрудниц.

Встречая на своем пути электроприборы, радиоволны проникают в них и могут оказаться причиной сбоя их работы. Например, чтобы люди, живущие с кардиостимулятором, не пострадали от радиоволн, в мире введено пороговое значение, которое запрещено превышать любому радиопередатчику.

Как можно защититься?

И все же, люди не ждут, когда ученые докажут им негативное влияние радиоволн на организм, они ищут способы защититься от него. При этом, особо эффективных пока не существует. Единственный действенный метод — находиться от них дальше. Доза излучения снижается пропорционально расстоянию: тем меньше, чем дальше от излучателя находится человек.

Как защититься от мобильного телефона, не отказываясь от него?

Существуют правила и нормативы, которыми определяется безопасная работа мобильного телефона. Причем, если в Европе они характеризуются степенью теплового воздействия на человека (например, во время разговора может нагреться ухо), обозначаемое SAR, то в России эти параметры измеряются плотностью потока энергии радиоволны (ППЭ).

Приобретая мобильный телефон, следует смотреть параметры именно этих значений. Они указываются в паспорте к телефону. Максимально допустимые:

• SAR 2 Вт/кг. Это означает не более 2 Вт на 1 кг веса человека.
• ППЭ 10 мкВт/кв.см.

Для разговора по телефону следует использовать беспроводную гарнитуру и выбирать параметры с допустимыми нормами излучения.

Стоит ли опасаться антенны операторов связи?

Люди скептически относятся к радиопередающим антеннам, которые устанавливают операторы мобильной связи для обеспечения своих услуг. Термическое воздействие на человека от этих устройств исключено ввиду того, что радиоволны распространяются в разные стороны. Суммарная их частота не превышает 100 Вт. Нетермическое воздействие изучали еще в 2006 г. австрийские ученые от медицины. Они отметили связь между нахождением людей вблизи от антенны и нарушением у них сна, а также наличием головных болей. Однако, выяснился факт самовнушения: чем больше люди внушали себе, что антенна им вредит, тем больше у них болела голова.

В антеннах применяются современные радиопередающие устройства, соответствующие мировым параметрам излучения. В мире не зарегистрировано ни одного доказанного факта их вреда.

Как быть с бебифоном?

Радиоустройство, применяемое в рамках одного помещения для того, чтобы мама могла услышать плач ребенка имеет частоту 445 МГц. Волны излучаются лишь в тот момент, когда ребенок плачет. В остальное время устройство их даже не излучает. Также оно не находится в непосредственной близости к малышу, поэтому говорить о термическом воздействии не приходится. Нетермические воздействия радиоволн учеными не определены.

DECT-телефоны.

Базовая станция излучает энергию лишь во время звонка. Их максимальная мощность достигает 250 мВт. Термическое воздействие значительно меньше, если сравнить с мобильным телефоном. При этом, импульсы очень короткие, что не может оказывать какое-либо вредное влияние на организм человека. Исследования не смогли привести в качестве примеров и доказательств правдивые результаты по поводу возникновения онкологических заболеваний головного мозга. Излучение DECT-телефонов не превышает 4 % от допустимой нормы.

Опасен ли bluetooth?

Наушник беспроводной радиосвязи имеет максимальную мощность излучения 2.5 мВт при допустимой 100 мВт. Отсутствует термическое воздействие. Нетермическое влияние радиоволн на человека ученым не известно.

Сетевые беспроводные устройства

Термическое действие маршрутизатора исключается в связи с достаточным расстоянием до тела человека и малой мощностью. О нетермическом влиянии не имеется конкретных данных, несмотря на регулярные исследования. Максимальная мощность излучения равняется 0.1 Вт при частоте 2400 МГц и 1 Вт при частоте 5400 МГц. Это менее 1 % от нормы.

Бытовые приборы (дрели, пылесосы) образуют эл.магнитные поля вокруг шнура питания при условии неграмотно установленной электропроводки. Чем больше мощность прибора, тем больше его воздействие. Защититься можно их расположением как можно более дальше от людей. Неиспользуемые приборы должны отключаться от сети.

ЛЭПы создают вокруг себя вредное эл.магнитное поле на расстоянии до 50 м. Поэтому, человек и особенно его жилище должны находиться от них не ближе этого значения. Иначе, есть риск проявления болезни Альцгеймера у взрослых и лейкемии у детей.

3. Зависимость распространения радиоволн кв и укв диапозона от рельефа местности, времени года и погодных условий.

В отличие от СДВ и ДВ, которые отражаются от нижней границы ионосферы, не проникая в ее толщу, и от СВ, которые отражаются от области Е только в ночные часы, в распространении КВ принимают участие все три слоя ионосферы: D, Е и F_2. При этом области D и Е обычно выполняют функции поглощающих слоев, а F₂ — отражающего слоя. Так же, как и в диапазоне СДВ, на КВ можно установить связь с любой точкой земного шара, однако если на длинных волнах это достигается ценой применения сверхмощных передатчиков (в сотни киловатт) и очень сложных и высоких антенн (с мачтами высотой в сотни метров), то в диапазоне КВ связь с антиподом может быть осуществлена при помощи передатчика мощностью в десятки ватт и весьма простых антенн. Кроме того, благодаря большей частотной емкости диапазона КВ по сравнению с емкостью диапазонов ДВ и СДВ, в нем может одновременно работать без взаимных помех большое число телеграфных и фототелеграфных каналов связи и систем связи для передачи данных. 4

Уверенный приём дальних вещательных станций зависит как от времени года, так и от солнечной активности. Дело в том, что солнечная активность существенно влияет на состояние ионосферы - оболочки Земли, состоящей из разряженного и ионизированного газа. Эта оболочка простирается на 1000 и более километров от поверхности Земли, но для коротких волн существенной является та её часть, которая расположена на высоте от 50 до 400 км.

Радиоволны КВ так же, как и свет, распространяются прямолинейно. Но они могут преодолевать многие тысячи километров, огибая земной шар громадными скачками от нескольких сотен до 3000 км и более, отражаясь попеременно от слоя ионизированного газа и от поверхности Земли или от воды.

Ещё в 20-х годах нашего столетия считалось, что радиоволны короче 200 м вообще не пригодны для дальней связи из-за сильного поглощения. И, вот когда были проведены первые эксперименты по дальнему приёму коротких волн через Атлантику между Европой и Америкой, английский физик Оливер Хэвисайд и американский инженер-электрик Артур Кеннели независимо друг от друга предположили, что где-то вокруг Земли существует ионизированный слой атмосферы, способный отражать радиоволны. Этот слой получил название Хэвисайда-Кеннели, или ионосферы.

По современным представлениям ионосфера состоит из отрицательно заряженный свободных электронов и положительно заряженный ионов, в основном молекулярного кислорода O+ и окиси азота NO+ . Ионы и электроны образуются в результате ионизации, которая заключается в отрыве электрона от нейтральной молекулы газа. А для того, чтобы оторвать электрон, необходимо затратить некоторую энергию - энергию ионизации, основным источником которой для ионосферы является Солнце, точнее его ультрафиолетовое, рентгеновское и корпускулярное излучения.

Пока газовая оболочка Земли освещена Солнцем, в ней непрерывно образуются всё новые и новые электроны, но одновременно часть электронов, сталкиваясь с ионами, вновь образует нейтральные частицы - атомы и молекулы. После захода Солнца образование новых электронов почти прекращается, и число свободных электронов начинает убывать. Вообще, чем больше свободных электронов в ионосфере, тем лучше от неё отражаются волны высокой частоты. А если электронов мало, то дальнее прохождение наблюдается только на низкочастотных КВ диапазонах. Вот почему ночью, как правило, возможен приём дальних станций лишь в диапазонах 75, 49, 41 и 31 м.

Электроны распределены в ионосфере неравномерно. 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.

Самая верхняя область, кстати, самая плотная, получила название области F. Она расположена на высоте более 150 км над поверхностью Земли и играет основную отражательную роль при дальнем распространении радиоволн высокочастотных КВ диапазонов. Иногда 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 % своей ионизации.

Ниже области F на высотах от 90 до 150 км расположена область E, ионизация которой происходит под воздействием мягкого рентгеновского излучения Солнца. Обычно степень ионизации области E ниже, чем области F. Однако днём приём станций низкочастотных КВ диапазонов 31 и 25 м происходит при отражении сигналов от области E. Обычно это станции, расположенные на расстоянии 1000 . 1500 км. Ночью в области 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 образующиеся в области E прослойки (точнее облака) сильно повышенной ионизации. Площадь этих облаков может изменяться от единиц до сотен квадратных километров. Этот слой повышенной ионизации получил название - спорадический слой E и обозначается Es. Облака Es могут перемещаться в ионосфере под воздействием ветра и достигать скорости до 250 км/час. Летом в средних широтах в дневное время происхождение радиоволн за счёт облаков Es за месяц бывает 15 . 20 дней. В районе экватора он присутствует почти всегда, а в высоких широтах обычно появляется ночью. В годы низкой солнечной активности, когда нет прохождения на высокочастотный КВ диапазонах, иногда, как подарок, на диапазонах 16, 13 и 11 м с хорошей громкостью вдруг появляются дальние станции, сигналы которых многократно отразились от 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, а вот сигналы станций низкочастотный КВ диапазонов сильно поглощаются. Это днём, а после захода Солнца ионизация очень быстро исчезает и появляется возможность принимать дальние станции в диапазонах 41, 49 и 75 м, сигналы которых отражаются от слоёв F2 и E.

Из изложенного выше стала понятна роль отдельных слоёв ионосферы а распространении сигналов КВ радиостанций. Необходимо добавить, что если сигнал отразился от слоя E ( или Es ), то скачок не превышает 2000 км, а от слоя F ( точнее F2 ) - 4000 км. Скачков может быть несколько, и тогда к вашему радиоприёмнику приходят сигналы от вещательных станций, отстоящих на тысячи километров. На дневной стороне Земли такой сигнал довольно сильно ослабляется при многократном прохождении через область D. За один скачок это случается дважды. Чем ниже частота, тем это ослабление заметнее. Но это единственный путь волны в ионосфере по пути от передатчика к вашему приёмнику. Иногда создаются такие условия, при которых волна, отразившись от слоя F2, не возвращается обратно к Земле, а распространяется, отражаясь попеременно от слоёв E(Es) и F2. Волна как бы попала в ионосферный волновод и проходит многие тысячи километров при относительно малом ослабление.

А вот подходящие условия для выхода волны из этого волновода обычно образуются в месте приёма при восходе или заходе Солнца. Обычно это даёт возможность принимать станции, расположенные на противоположный точке земного шара. Это явление наиболее явно выражено на низкочастотных КВ диапазонах. Продолжительность такого приёма в диапазоне 75 м может быть около часа. При переходе на более коротковолновые диапазоны это время сокращается.

Законы распространения радиоволн в свободном пространстве сравнительно просты, но чаще всего радиотехника имеет дело не со свободным пространством, а с распространением радиоволн над земной поверхностью. Как показывают и опыт и теория, поверхность Земли сильно влияет на распространение радиоволн, причем сказываются как физические свойства поверхности (например, различия между морем и сушей), так и ее геометрическая форма (общая кривизна поверхности земного шара и отдельные неровности рельефа — горы, ущелья и т. п.). Влияние это различно для волн разной длины и для разных расстояний между передатчиком и приемником. Влияние, оказываемое на распространение радиоволн формой земной поверхности, понятно из предыдущего. Ведь мы имеем здесь, в сущности, разнообразные проявления дифракции идущих от излучателя волн (§ 41),— как на земном шаре в целом, так и на отдельных особенностях рельефа. Мы знаем, что дифракция сильно зависит от соотношения между длиной волны и размерами тела, находящегося на пути волны. Неудивительно поэтому, что кривизна земной поверхности и ее рельеф по-разному сказываются на распространении волн различной длины. Так, например, горная цепь отбрасывает «радиотень» в случае коротких волн, в то время как достаточно длинные (в несколько километров) волны хорошо огибают это препятствие и на горном склоне, противоположном радиостанции, ослабляются незначительно (рис. 147).

Рис. 147. Гора отбрасывает «радиотень» в случае коротких волн. Длинные волны огибают гору Что касается земного шара в целом, то он чрезвычайно велик даже по сравнению с наиболее длинными волнами, применяемыми в радио. Очень короткие волны, например метровые, вообще не заворачивают сколько-нибудь заметно за горизонт, т. е. за пределы прямой видимости. Чем волны длиннее, тем лучше они огибают поверхность земного шара, но и самые длинные из применяемых волн не могли бы. благодаря дифракции завернуть так сильно, чтобы обойти вокруг земного шара — от нас к антиподам. Если, тем не менее, радиосвязь осуществляется между любыми точками земного шара, причем на волнах самой различной длины, то это возможно не из-за дифракции, а по совсем другой причине, о которой мы скажем немного дальше. Влияние физических свойств земной поверхности на распространение радиоволн связано с тем, что под воздействием этих волн в почве и в морской воде возникают электрические токи высокой частоты, наиболее сильные вблизи антенны передатчика. Часть энергии радиоволны расходуется на поддержание этих токов, выделяющих в почве или воде соответствующее количество джоулева тепла. Эти потери энергии (а значит, и ослабления волны из-за потерь) зависят, с одной стороны, от проводимости почвы, а с другой — от длины волны. Короткие волны затухают значительно сильнее, чем длинные. При хорошей проводимости (морская вода) высокочастотные токи проникают на меньшую глубину от поверхности, чем при плохой (почва), и потери энергии в первом случае существенно меньше. В результате дальность действия одного и того же передатчика оказывается при распространении волн над морем значительно (в несколько раз) большей, чем при распространении над сушей. Мы уже отметили, что распространение радиоволн на очень большие расстояния нельзя объяснить дифракцией вокруг земного шара. Между тем дальняя радиосвязь (на несколько тысяч километров) была осуществлена уже в первые годы после изобретения радио. В настоящее время каждый радиолюбитель знает, что длинноволновые (X больше 1 км) и средневолновые (l от 100 м до 1 км) станции зимними ночами слышны на расстоянии многих тысяч километров, в то время как днем, особенно в летние месяцы, эти же станции слышны на расстоянии всего в несколько сот километров. В диапазоне коротких волн (l от 10 до 100 м) положение иное. Здесь в любое время суток и любое время года можно найти такие длины волн, на которых надежно перекрываются любые расстояния. Для обеспечения круглосуточной связи при этом приходится в разное время суток работать на волнах различной длины. Зависимость дальности распространения радиоволн от времени года и суток заставила связать условия распространения радиоволн на Земле с влиянием Солнца. Эта связь в настоящее время хорошо изучена и объяснена. Солнце испускает наряду с видимым светом сильное ультрафиолетовое излучение и большое количество быстрых заряженных частиц, которые, попадая в земную атмосферу, сильно ионизуют ее верхние области. В результат® образуется несколько слоев ионизованных газов, расположенных на различных высотах (100 км, 200—300 км).

Рис. 148. Волна идет между Землей и ионосферой Наличие таких слоев дало основание к тому, чтобы назвать верхние слои земной атмосферы ионосферой. Присутствие ионов и свободных электронов придает ионосфере свойства, резко отличающие ее от остальной атмосферы. Сохраняя способность пропускать видимый свет, инфракрасное излучение и метровые радиоволны, ионосфера сильно отражает более длинные волны; для таких волн (l больше 10—15 м) земной шар оказывается окруженным как бы сферическим «зеркалом», и распространение этих радиоволн происходит между двумя отражающими сферическими поверхностями — поверхностью Земли и «поверхностью» ионосферы (рис. 148). Именно поэтому радиоволны получают возможность огибать земной шар. Конечно, не следует понимать слова «поверхность сферического зеркала ионосферы» буквально. Никакой резкой границы у ионизованных слоев нет, правильная сферическая форма тоже не соблюдается (по крайней мере, одновременно вокруг всего земного шара); ионизация различна в разных слоях (в верхних она больше, чем в нижних), и сами слои состоят из непрерывно движущихся и меняющихся «облаков». Такое неоднородное «зеркало» не только отражает, но и поглощает и рассеивает радиоволны, причем опять-таки различно в зависимости от длины волны. Кроме того, свойства «зеркала» меняются с течением времени. Днем при действии солнечного излучения ионизации значительно больше, чем ночью, когда происходит только воссоединение положительных ионов и отрицательных электронов в нейтральные молекулы (рекомбинация). Особенно велико различие в ионизации днем и ночью в нижних слоях ионосферы. Здесь плотность воздуха выше, столкновения между ионами и электронами происходят чаще и рекомбинация протекает более интенсивно. В течение ночи ионизация нижних слоев ионосферы может успеть упасть до нуля. Ионизация различна и в зависимости от времени года, т. е. от высоты подъема Солнца над горизонтом. Рис. 149. Различные пути волны от передатчика к приемнику Изучение суточных и сезонных изменений состояния ионосферы позволило не только объяснить, но и предсказывать условия прохождения радиоволн различной длины в разное время суток и года (радиопрогнозы). Наличие ионосферы не только делает возможной коротковолновую связь на большие расстояния, но и позволяет радиоволнам иногда обогнуть весь земной шар, и даже несколько раз. Из-за этого возникает своеобразное явление при радиоприеме, так называемое радиоэхо, при котором сигнал воспринимается приемником несколько раз: после прихода сигнала по кратчайшему пути от передатчика могут быть слышны повторные сигналы, обогнувшие земной шар. Часто случается, что волна доходит от передатчика к приемнику по нескольким различным путям, испытав различное число отражений от ионосферы и земной поверхности (рис. 149). Очевидно, волны, идущие от одного и того же передатчика, когерентны и могут интерферировать в месте приема, ослабляя или усиливая друг друга в зависимости от разности хода. Так как ионосфера не является абсолютно устойчивым «зеркалом», а меняется с течением времени, то меняется и разность хода волн, пришедших по разным путям от передатчика к приемнику, в результате чего усиление колебаний сменяется их ослаблением, потом опять усилением и т. д. Можно сказать, что интерференционные полосы «ползают» над поверхностью Земли, и приемник оказывается то в максимуме, то в минимуме колебаний. В принимаемой передаче получается при этом смена хорошей слышимости и замираний приема, при которых слышимость может падать до нуля. Аналогичное явление наблюдается иногда на экране телевизора, если над окрестностью приемной антенны пролетает самолет. Отраженная самолетом радиоволна интерферирует с волной от передающей станции, и мы видим, как изображение «мигает» из-за того, что интерференционные «полосы» поочередного усиления и ослабления сигнала пробегают (из-за движения самолета) мимо приемной антенны. Заметим, что при приеме телевизионной передачи в городе довольно часто наблюдается удвоение (и даже «размножение») изображения на экране кинескопа: оно состоит из двух или нескольких изображений, в различной степени сдвинутых по горизонтали друг относительно друга. Это результат отражения радиоволны от домов, башен и т. п. Отраженные волны проходят более длинный путь, чем расстояние между передающей и приемной антеннами, и поэтому запаздывают, давая картину, сдвинутую в направлении развертки электронного пучка в кинескопе. В сущности, мы здесь воочию наблюдаем результат распространения радиоволн с конечной скоростью 300 км/с. Прозрачность ионосферы для радиоволн, длина которых меньше 10 м, позволила обнаружить радиоизлучение, приходящее от внеземных источников. Возникла и с 40-х гг. нашего века быстро развивается радиоастрономия, открывшая новые возможности для изучения Вселенной, сверх тех, какими располагает обычная (оптическая) астрономия. Строится все больше радиотелескопов, увеличиваются размеры их антенн, повышается чувствительность приемников и в результате непрерывно возрастает количество и разнообразие открытых внеземных радиоисточников. Оказалось, что радиоволны излучают и Солнце, и планеты, а за пределами нашей Солнечной системы — многие туманности и так называемые сверхновые звезды. Множество источников радиоизлучения открыто вне нашей звездной системы (Галактики). В основном — это другие галактические системы, причем лишь небольшая их доля отождествлена с оптически наблюдаемыми туманностями. «Радиогалактики» обнаружены и на таких больших расстояниях от нас (многие миллиарды световых лет), которые находятся за пределами досягаемости самых сильных современных оптических телескопов. Были открыты интенсивные источники радиоизлучения, обладающие очень малыми угловыми размерами (доли угловой секунды). Первоначально их считали особого рода звездами, принадлежащими нашей Галактике, и поэтому назвали квазизвездными источниками или квазарами. Но с 1962 г. стало ясно, что квазары — это внегалактические объекты с огромной мощностью радиоизлучения. Отдельные, или, как говорят, дискретные радиоисточники нашей Галактики излучают широкий спектр длин волн. Но было обнаружено и «монохроматическое» радиоизлучение с длиной волны l=21 см, испускаемое межзвездным водородом. Исследование этого излучения позволило найти общую массу межзвездного водорода и установить, как он распределен по Галактике. В самое последнее время удалось обнаружить монохроматическое радиоизлучение на длинах волн, свойственных другим химическим элементам. У всех источников радиоизлучения, о которых говорилось выше, интенсивность очень постоянна. Лишь в некоторых случаях (в частности, у Солнца) наблюдаются на общем постоянном фоне отдельные беспорядочные вспышки радиоизлучения. 1968 г. был ознаменован новым радиоастрономическим открытием большого значения: были обнаружены источники (находящиеся в большинстве своем в пределах Галактики), излучающие строго периодические импульсы радиоволн. Эти источники получили название пульсаров. Периоды повторения им. пульсов у разных пульсаров различны и составляют от нескольких секунд до нескольких сотых долей секунды и даже меньше. Характер радиоизлучения пульсаров получает, по-видимому, наиболее правдоподобное объяснение, если допустить, что пульсары — это вращающиеся звезды, состоящие в основном из нейтронов (нейтронные звезды). В обнаружении и возможности наблюдения таких звезд и состоит большое научное значение этого радиоастрономического открытия. Кроме приема собственного радиоизлучения тел Солнечной системы, применяется также их радиолокация. Это так называемая радиолокационная астрономия. Принимая отраженные от какой-либо из планет радиосигналы мощных локаторов, можно очень точно измерять расстояние до этой планеты, оценивать скорость ее вращения вокруг оси и судить (по интенсивности отражения радиоволн различной длины) о свойствах поверхности и атмосферы планеты. Отметим в заключение, что прозрачность ионосферы для, достаточно коротких радиоволн позволяет также осуществлять все виды радиосвязи с искусственными спутниками Земли и космическими кораблями (собственно связь, радиоуправление, телевидение, а также телеметрия — передача на Землю показаний различных измерительных приборов). По той же причине можно использовать теперь метровые радиоволны для связи и телевидения между сильно удаленными друг от друга пунктами земной поверхности (например, между Москвой и нашими дальневосточными городами), применяя однократную ретрансляцию передач специальными спутниками, на которых установлена приемно-передающая радиоаппаратура.