Радиоволны

Радиочастотные импульсы передавались вертикально вверх  и принимались вернувшиеся сигналы. Измерения времени между посылкой и приемом импульсов позволили  определить высоту и количество слоев  отражения.

Распространение длинных и коротких волн.

      Отразившись  от ионосферы, короткие волны  возвращаются к Земле, оставив  под собой сотни километров  «мертвой зоны». Пропутешествовав  к ионосфере и обратно, волна  не «успокаивается», а отражается  от поверхности Земли и вновь  устремляется к ионосфере, где  опять отражается и т. д.  Так, многократно отражаясь, радиоволна  может несколько раз обогнуть  земной шар. 

 Установлено,  что высота отражения зависит  в первую очередь от длины  волны. Чем короче волна, тем  на большей высоте происходит  ее отражение и, следовательно,  больше «мертвая зона». Эта  зависимость верна лишь для  коротковолновой части спектра  (примерно до 25–30 МГц). Для более  коротких волн ионосфера прозрачна.  Волны пронизывают ее насквозь  и уходят в космическое пространство.

 Это связано  с тем, что ионосфера ионизируется  солнечным излучением и с наступлением  темноты постепенно теряет свою  отражательную способность. Степень  ионизации также зависит от  солнечной активности, которая меняется  в течение года и из года  в год по семилетнему циклу. 

Распространение коротких и ультракоротких волн.

Радиоволны УКВ  диапазона по свойствам в большей  степени напоминают световые лучи. Они практически не отражаются от ионосферы, очень незначительно  огибают земную поверхность и  распространяются в пределах прямой видимости. Поэтому дальность действия ультракоротких волн невелика. Но в  этом есть определенное преимущество для радиосвязи.                                  Поскольку в  диапазоне  УКВ  волны   распространяются в пределах прямой видимости, то можно располагать  радиостанции на расстоянии 150–200 км друг от друга без взаимного влияния. А это позволяет многократно  использовать одну и ту же частоту  соседним станциям.

 Свойства радиоволн  диапазонов ДЦВ и 800 МГц еще  более близки к световым лучам  и потому обладают еще одним  интересным и важным свойством. Вспомним, как устроен фонарик. Свет от лампочки, расположенной в фокусе рефлектора, собирается в узкий пучок лучей, который можно послать в любом направлении. Примерно то же самое можно проделать и с высокочастотными радиоволнами. Можно их собирать зеркалами-антеннами и посылать узкими пучками. Для низкочастотных волн такую антенну построить невозможно, так как слишком велики были бы ее размеры (диаметр зеркала должен быть намного больше, чем длина волны). Возможность направленного излучения волн позволяет повысить эффективность системы связи. Связано это с тем, что узкий луч обеспечивает меньшее рассеивание энергии в побочных направлениях, что позволяет применять менее мощные передатчики для достижения заданной дальности связи. Направленное излучение создает меньше помех другим системам связи, находящихся не в створе луча.При приеме радиоволн также могут использоваться достоинства направленного излучения. Например, многие знакомы с параболическими спутниковыми антеннами, фокусирующими излучение спутникового передатчика в точку, где установлен приемный датчик. Применение направленных приемных антенн в радиоастрономии позволило сделать множество фундаментальных научных открытий. Возможность фокусирования высокочастотных радиоволн обеспечила их широкое применение в радиолокации, радиорелейной связи, спутниковом вещании, беспроводной передаче данных и т.п. 

Параболические  направленные антенны.

Необходимо отметить, что с уменьшением длины волны  возрастает их затухание и поглощение в атмосфере. В частности на распространение  волн короче 1 см начинают влиять такие  явления как туман, дождь, облака, которые могут стать серьезной  помехой, сильно ограничивающей дальность  связи.

 Мы выяснили, что  волны радиодиапазона обладают  различными свойствами распространения,  и каждый участок этого диапазона  применяется там, где лучше  всего могут быть использованы  его преимущества. 

2. Диапазон

С учётом особенностей распространения, генерации и (отчасти) излучения весь диапазон радиоволн  принято делить на ряд меньших  диапазонов: сверхдлинные волны, длинные  волны, средние волны, короткие волны, метровые волны, дециметровые волны, сантиметровые  волны, миллиметровые волны и  субмиллиметровые волны . Деление радиочастот на диапазоны в радиосвязи установлено международным регламентом радиосвязи . Все это официальные, четко отграниченные участки спектра.

 В то же время  термин "диапазон" в зависимости  от контекста может применяться  для обозначения какого-то произвольного  участка радиоволн/радиочастот (например - "любительский диапазон", "диапазон  подвижной связи", "диапазон low band", "диапазон 2,4 ГГц" и т.п.) 

2.1. Динамический диапазон

     Динамический  диапазон радиоприемного устройства - это отношение максимально допустимого  уровня принимаемого сигнала  (нормируется уровнем нелинейных  искажений) к минимально возможному  уровню принимаемого сигнала  (определяется чувствительностью  устройства) выраженное в децибелах.  Другими словами - это разность  между максимальным и минимальным  значениями уровней сигналов, при  которых еще не наблюдается  искажений. Причиной этих искажений  является нелинейность усилительного  тракта рассматриваемого устройства. Чем шире ДД, тем более сильные  сигналы способно принимать устройство  без искажений. Динамический диапазон  шире у дорогих приемников, хотя  сравнивать их по этому параметру  практически невозможно, т.к. он  очень редко указывается в  характеристиках. 

2.2. Распределение спектра

Радиоволны (радиочастоты), используемые в радиотехнике, занимают область, или более научно – спектр от 10 000 м (30 кГц) до 0.1 мм (3 000 ГГц). Это  только часть обширного спектра  электромагнитных волн. За радиоволнами (по убывающей длине) следуют тепловые или инфракрасные лучи. После них  идет узкий участок волн видимого света, далее – спектр ультрафиолетовых, рентгеновских и гамма лучей  – все это электромагнитные колебания  одной природы, отличающиеся только длиной волны и, следовательно, частотой. Хотя весь спектр разбит на области, границы  между ними намечены условно. Области  следуют непрерывно одна за другой, переходят одна в другую, а в  некоторых случаях перекрываются. Международными соглашениями весь спектр радиоволн, применяемых в радиосвязи, разбит на диапазоны.

 Но эти диапазоны  весьма обширны и, в свою  очередь, разбиты на участки,  куда входят так называемые  радиовещательные и телевизионные  диапазоны, диапазоны для наземной  и авиационной, космической и  морской связи, для передачи  данных и медицины, для радиолокации  и радионавигации и т.д. Каждой  радиослужбе выделен свой участок  диапазона или фиксированные  частоты. 

3. Источники 

3.1.Радиоизлучение  Солнца.

Зарегистрировано  радиоизлучение Солнца с длиной волны  от нескольких миллиметров до 30 м. Особенно сильно излучение в метровом диапазоне; оно рождается в верхних слоях  атмосферы Солнца, в его короне, где температура порядка 1 млн. К. Коротковолновое излучение Солнца относительно слабо; оно выходит  из хромосферы, расположенной над  видимой поверхностью Солнца – фотосферой.  
 

3.2.Галактические  радиоисточники.

 Уже первые  наблюдения Г.Ребера показали, что  радиоизлучение Млечного Пути  неоднородно – оно сильнее  в направлении центра Галактики.  Дальнейшие исследования подтвердили,  что основные источники радиоволн  относительно компактны; их называют  точечными или дискретными. Зарегистрированы  уже десятки тысяч таких источников.

Излучение космических  радиоисточников бывает двух типов: тепловое и нетепловое (обычно синхротронное). Тепловое излучение рождается в  горячем газе от случайного (теплового) движения заряженных частиц – электронов и протонов. Его интенсивность  в широком диапазоне спектра  почти постоянна, но на длинных волнах она быстро уменьшается. Такое излучение  характерно для эмиссионных туманностей. Остальные источники имеют нетепловое излучение, интенсивность которого растет с увеличением длины волны. В этих источниках излучение возникает  при движении очень быстрых электронов в магнитном поле. Скорости электронов близки к скорости света, и это  не может быть следствием простого теплового движения. Для разгона  электронов до таких скоростей в  лаборатории используют специальные  ускорители – синхротроны. Как это  происходит в естественных условиях, не совсем ясно. Синхротронное излучение  сильно поляризовано. Это позволяет  обнаруживать его в космических  источниках и по направлению поляризации  определять ориентацию их магнитного поля. Таким методом исследованы  межзвездные магнитные поля в  нашей и соседних галактиках.

Одним из важнейших  достижений радиоастрономии стало  открытие активных процессов в ядрах  галактик. Радионаблюдения указывали  на это еще в 1950-е годы, но окончательное  подтверждение появилось в 1962, когда  с помощью 5-метрового оптического  телескопа обсерватории Маунт-Паломар (США) были независимо обнаружены бурные процессы в ядре галактики М 82.

Другим важнейшим  открытием радиоастрономии считаются  квазары – очень далекие и  активные внегалактические объекты. Вначале  они казались рядовыми точечными  источниками. Затем некоторые из них были отождествлены со слабыми  звездами (отсюда название «квазар» –  квазизвездный радиоисточник). Доплеровское смещение линий в их оптических спектрах указывает на то, что квазары удаляются  от нас со скоростью, близкой к скорости света и, в соответствии с законом Хаббла, расстояния до них составляют миллиарды световых лет. Находясь на таких гигантских расстояниях, они заметны лишь потому, что излучают с огромной мощностью – порядка 1041 Вт. Это значительно больше мощности излучения целой галактики, хотя размер области генерации энергии у квазаров существенно меньше размера галактик и порой не превосходит размера Солнечной системы. Загадка квазаров до сих пор не раскрыта.   

3.3.Отождествление  источников.

 Звезды – слабые  источники радиоволн. Долгое время  единственной звездой на «радионебе»  было Солнце, и то лишь благодаря  его близости. Но в 1970-х годах  Р.Хелминг и К. Уэйд из Национальной  радиоастрономической обсерватории  США открыли радиоизлучение от  газовых оболочек, сброшенных Новой  Дельфина 1967 и Новой Змеи 1970. Затем  они обнаружили радиоизлучение  красного сверхгиганта Антареса  и рентгеновского источника в  Скорпионе. 

В.Бааде и Р.Минковский из обсерваторий Маунт-Вилсон и Маунт-Паломар (США) отождествили многие яркие радиоисточники с оптическими объектами. Например, ярчайший источник в Лебеде оказался связан с очень далекой и слабой галактикой необычной формы, ставшей  прототипом радиогалактик. Мощный радиоисточник  в Тельце они отождествили с остатком взрыва сверхновой звезды, отмеченной в китайской летописи 1054. Мощный источник в Кассиопее также оказался остатком сверхновой, вспыхнувшей всего  лет 300 назад, но не замеченной никем.

В 1967 Э.Хьюиш, Дж.Белл и их коллеги из Кембриджа (Англия) открыли необычные переменные радиоисточники – пульсары. Излучение каждого  пульсара представляет строго периодическую  последовательность импульсов; у открытых пульсаров периоды лежат в  интервале от 0,0016 с до 5,1 с. Через 2 года У.Кокки, М.Дисней и Д.Тейлор обнаружили, что радиопульсар в Крабовидной  туманности совпадает со слабой оптической звездой, которая, как и пульсар, изменяет свою яркость с периодом 1/30 с. Среди более 700 известных сейчас пульсаров еще только один – в  созвездии Парусов (Vela) – демонстрирует  оптические вспышки. Выяснилось, что  феномен пульсара связан c нейтронными  звездами, образовавшимися в результате гравитационного коллапса ядер массивных звезд. Имея диаметр около 15 км и массу как у Солнца, нейтронная звезда быстро вращается и как маяк периодически «освещает» Землю. Постепенно скорость вращения пульсара замедляется, период между импульсами возрастает, а их мощность падает. Иногда наблюдаются резкие сбои периода, когда у нейтронной звезды происходит перестройка структуры, называемая «звездотрясением».   

3.4.Фоновое  излучение.

 Кроме отождествленных  и неотождествленных дискретных  источников, наблюдается суммарный  фон от миллионов далеких галактик  и облаков межзвездного газа  нашей Галактики. С повышением  чувствительности и разрешающей  способности радиотелескопов из  этого фона удается выделить  все больше дискретных источников.  

3.5.Радиоизлучение  планет.

В 1956 К.Мейер из Военно-морской  лаборатории США открыл излучение  Венеры на волне 3 см. В 1955 Б.Бурке и  К.Франклин из института Карнеги  в Вашингтоне обнаружили короткие всплески радиоизлучения от Юпитера на волне 13,5 м. Дальнейшие исследования в Австралии  показали, что всплески излучения  от Юпитера приходят в те моменты, когда определенные зоны его поверхности  обращены к Земле. В дециметровом диапазоне кроме теплового излучения  наблюдалось и синхротронное, что  указывало на наличие у Юпитера  мощного магнитного поля, которое  позже было действительно обнаружено космическими зондами.

Радиолокационные  исследования планет позволяют точно  определять их расстояние от Земли, скорость их суточного вращения и свойства поверхности. Радиолокация Венеры позволила  изучить топографию ее поверхности, закрытой от оптических телескопов плотным  облачным слоем.  
 
 

3.6.Излучение  водорода.

Нейтральный атомарный  водород – возможно, самый распространенный элемент в межзвездном пространстве. Он способен излучать радиолинию с  длиной волны 21 см, которая была предсказана  в 1944 нидерландским теоретиком Х. ван  де Хюлстом и обнаружена в 1951 Х.Юэном  и Э.Парселом из Гарвардского университета (США). Существование узкой линии  в радиодиапазоне оказалось очень  полезным: измеряя ее доплеровское смещение, можно очень точно определять лучевую скорость наблюдаемого облака газа. При этом приемная аппаратура радиотелескопа сканирует некоторый  диапазон длин волн в районе линии 21 см и отмечает пики излучения. Каждый такой пик – это линия излучения  водорода, смещенная по частоте из-за движения одного из облаков, попавших в поле зрения антенны телескопа.

Около 5% водорода в  Галактике вследствие высокой температуры  находится в ионизованном состоянии. Когда свободные электроны пролетают  вблизи положительно заряженных ядер водорода – протонов, они испытывают притяжение, движутся ускоренно и  при этом излучают электромагнитные кванты. Иногда, потеряв энергию, электрон оказывается захваченным на один из верхних уровней атома (т.е. происходит рекомбинация). Спускаясь затем каскадно на устойчивый нижний уровень, электрон также излучает кванты энергии. Такое  излучение свободных и рекомбинирующих  электронов наблюдается в радиодиапазоне от эмиссионных туманностей и  позволяет обнаруживать их даже в  тех случаях, когда оптическое излучение  не может достичь Земли из-за поглощения в межзвездной пыли. Благодаря  этому радиоастрономы смогли обнаружить практически все эмиссионные  туманности в Галактике.