Изучение распространения радиоволн на уроках физики в СОШ

     При связи на декаметровых волнах возможно появление «зоны молчания» в  виде кольцевой области, которая заключена между радиусом действия поверхностной волны и расстоянием, на котором появляется отраженная от ионосферы пространственная волна. Качество дальней связи на верхнем уровне диапазона частот может ухудшаться также из-за того, что в точку приема кроме основного сигнала приходит с большим временным сдвигом (до 0,1 с) второй сигнал, прошедший более длинный путь по дуге большого круга (кругосветное эхо).

     Микроволновые диапазоны. Включают в себя метровые волны (очень высокие частоты, ОВЧ, 30 ... 300 МГц), дециметровые волны (ультравысокие частоты, УВЧ, 300 ... 3000 МГц), сантиметровые волны (сверхвысокие частоты, СВЧ, 3 ... 30 ГГц), миллиметровые волны (крайне высокие частоты, КВЧ, 30 ... 300 ГГц), децимиллиметровые волны (300 ... 3000 ГГц). Радиоволны микроволновых диапазонов распространяются только с помощью поверхностной волны, так как в этих диапазонах пространственные волны от ионосферы не отражаются. Поскольку дифракция поверхностной волны в этих диапазонах почти не проявляется, распространение радиоволн происходит только в пределах прямой видимости.

     На  метровых волнах благодаря незначительной дифракции дальность приема может быть несколько больше, чем дальность прямой видимости, однако в зоне дифракции (зона полутени и тени) напряженность поля убывает очень быстро, прием телевизионных передач становится нестабильным и неустойчивым. На метровых волнах наблюдаются отдельные случаи дальнего и сверхдальнего приема телевизионных передач вследствие рассеяния радиоволн на неоднородностях атмосферы и отражения радиоволн от областей ионосферы с повышенной ионизацией.

     На  дециметровых волнах дифракция практически отсутствует, и дальность приема не превышает дальности прямой видимости. Случаи дальнего и сверхдальнего приема телевизионных передач на дециметровых волнах связывают с образованием атмосферных волноводов над тропическими морями при аномальном состоянии атмосферы (суперрефракция).

     Дальность распространения метровых и дециметровых волн практически не зависит от метеоусловий.

     Сантиметровые и миллиметровые волны также  распространяются в пределах прямой видимости, однако дальность их распространения существенно зависит от метеоусловий. Поглощение сантиметровых волн во влажном воздухе составляет 0,01 дБ/км, на частоте 24 ГГц наблюдается резонансное поглощение в водяном паре (0,2 дБ/км), на частоте 60 ГГц в кислороде (13 дБ/км). Поглощение и рассеяние происходит во время дождя от 0,1 до 10 дБ/км в зависимости от интенсивности дождя.

     Микроволновые диапазоны используются для профессиональной и любительской связи, радиолокации, передачи телевизионных программ и УКВ-ЧМ вещания. В этих диапазонах работают спутниковые системы связи и радиорелейные линии.[1,c.57]

     Рис.2 Распространение коротких и ультракоротких волн. 
 
 

1. Явления, возникающие при  распространении  радиоволн

        Дифракция радиоволн - явление, состоящее в том, что радиоволны способны огибать препятствия. Дифракция проявляется тем сильнее, чем больше длина волны по сравнению с размерами препятствий. Например, километровые и гектометровые волны огибают горы, холмы, большие городские здания и т. д. В то же время волны микроволновых диапазонов не огибают эти препятствия, образуя непосредственно за ними зоны радиотени. Благодаря явлению дифракции волны огибают неровности земной поверхности, распространяясь в виде поверхностной (земной) волны на расстояния, превышающие дальность прямой видимости.

        Рефракция радиоволн - явление преломления радиоволн в атмосфере вследствие уменьшения плотности воздуха с высотой, приводящее к увеличению дальности распространения поверхностной радиоволны. При среднем (нормальном) состоянии атмосферы (температура воздуха на уровне моря 15°С, снижение температуры с высотой-0,65°С на 100 м, уменьшение давления - дальность распространения поверхностной радиоволны увеличивается на 15 ... 20% по сравнению с дальностью геометрической видимости (случай нормальной атмосферной рефракции). При некоторых особых состояниях атмосферы, когда плотность воздуха уменьшается с высотой быстрее, чем в нормальной атмосфере, может образоваться атмосферный волновод (суперрефракция), по которому поверхностная волна распространяется в несколько раз дальше, чем при нормальной рефракции.

         Интерференция радиоволн - явление взаимного наложения радиоволн, приходящих в точку приема по разным путям. Если амплитуды радиоволн, приходящих по двум путям различной длины, одинаковы, то при совпадающих фазах результирующее поле удваивается, при противоположных фазах равно нулю.[2,c.14]

     С явлением интерференции радиоволн  связаны замирания сигнала, а  также появление повторных контуров на телевизионном изображении.

     Радиоволны  принято также классифицировать по способу распространения в свободном пространстве и вокруг земного шара.

     Волны, распространяющиеся в свободном  пространстве (космосе) от одного космического объекта к другому, носят название прямых или свободно распространяющихся. К этой же категории можно в некоторых случаях отнести волны, распространяющиеся между наземной станцией и космическим объектом, а именно в те случаях, когда влиянием относительно тонкого слоя атмосферы можно пренебречь.[3,c.9]

     Радиосвязь  может осуществляться с помощью  поверхностных и пространственных радиоволн.

Рис.3 Распространения поверхностных и пространственных волн в    ионосфере. 

     Волны, распространяющиеся вдоль сферической  поверхности Земли и частично огибающие ее вследствие явления  дифракции, получили название земных или поверхностных. Способность волн огибать встречаемые препятствия и дифрагировать вокруг них, определяется соотношением между длиной волны и размерами препятствий. Чем ниже частота сигнала, тем больше дальность распространения поверхностной волны. Чем короче волны, тем слабее проявляется дифракция. По этой причине УКВ очень слабо дифрагирует вокруг поверхности земного шара и дальность их распространения в первом приближении определяется расстоянием прямой видимости.[4,c41]

     Ультракороткие  волны, распространяющиеся за счет рассеяния на неоднородностях тропосферы на расстояние до 1000 км, получили название тропосферных.

     Наконец, волны длиннее 10 м, распространяющиеся вокруг земного шара на сколь угодно большие расстояния за счет однократного и многократного отражения от ионосферы (т. е. ионизированной оболочки атмосферы), называются ионосферными или пространственными.

3.ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ДАЛЬНОСТЬ И КАЧЕСТВО    РАДИВОЛН

     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.

     Слои  ионосферы: слой D с наиболее слабой электронной концентрацией, высота 60 ... 80 км (существует только днем), слой Е со средней электронной концентрацией, высота 90 ... 150 км, слой F с наиболее высокой электронной концентрацией, высота 190 ... 500 км; летом расщепляется на два слоя с различной электронной концентрацией: F₁ (высота 190 ... 230 км) и F₂ (высота 230 ... 500 км).

       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.⁵

     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.[6,c.34]

     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.[7,c.54]

     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.