Ионосфера: почему короткие волны возвращаются к Земле

Коротковолновый сигнал может пройти тысячи километров без спутника и ретранслятора. Высоко над Землёй его траекторию постепенно изгибает ионосфера (нем. Ionosphäre, англ. ionosphere) — область атмосферы с большим количеством свободных электронов и ионов.

Эти заряженные частицы появляются главным образом под действием ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца. Процесс образования заряженных частиц называют ионизацией (нем. Ionisation, англ. ionization). Когда солнечное излучение уменьшается, электроны и ионы снова соединяются — происходит рекомбинация.

Волна не отскакивает от небесного зеркала

Удобно говорить, что ионосфера «отражает» радиоволну, но физически это грубое упрощение. Показатель преломления меняется по мере движения волны через область со свободными электронами. Траектория изгибается постепенно и при подходящих условиях возвращается к Земле.

Насколько сильно изогнётся волна, зависит прежде всего от частоты, электронной плотности и угла излучения антенны. Более высокая электронная плотность позволяет вернуть более высокую частоту. Более пологий угол обычно даёт больший «скачок» по поверхности Земли.

D, E и F выполняют разные роли

Названия D, E и F обозначают не твёрдые оболочки, а широкие области высот, в которых свойства ионосферы различаются.

D-область находится ниже остальных и днём в основном поглощает энергию нижних КВ. Частые столкновения электронов с молекулами воздуха превращают энергию волны в тепло. После заката D-область быстро слабеет, поэтому 160 и 80 м обычно заметно оживают ночью.

E-область может возвращать нижние КВ и обеспечивать сравнительно короткие скачки. Иногда в ней появляются плотные локальные области Sporadic-E, способные вернуть гораздо более высокие частоты — чаще всего 10 и 6 м, а в редких случаях и 2 м.

F-область расположена выше и играет главную роль в дальней КВ-связи. Днём она может разделяться на F1 и F2, а ночью снова выглядит как одна область. Благодаря большой высоте один скачок через F-область покрывает тысячи километров.

Работает только окно частот

Для конкретной радиолинии не существует одной «правильной частоты». Есть изменяющееся рабочее окно.

Снизу его ограничивает поглощение. Если частота слишком низкая, особенно днём, D-область ослабит сигнал раньше, чем он вернётся к Земле. Эту нижнюю границу называют LUF — наименьшей применимой частотой.

Сверху окно ограничено способностью ионосферы изогнуть волну. Выше MUF — максимальной применимой частоты (англ. maximum usable frequency) — волна уже не возвращается к нужной точке и уходит дальше в космос.

Практический вывод не в том, чтобы всегда выбирать самую низкую частоту. Обычно стараются работать достаточно высоко, чтобы уменьшить поглощение и шум, но всё ещё ниже MUF для нужного расстояния.

Почему диапазоны открываются и закрываются

Днём солнечное излучение усиливает ионизацию: MUF растёт, и верхние КВ-диапазоны получают шанс открыться. Одновременно возникает D-область и усиливает поглощение нижних диапазонов. Ночью D-область исчезает, но электронная плотность F-области постепенно падает, поэтому верхние диапазоны закрываются раньше нижних.

На более длинном масштабе действует примерно одиннадцатилетний солнечный цикл. Около максимума солнечной активности 10 м может поддерживать межконтинентальные связи. Около минимума тот же диапазон часто остаётся закрытым, хотя 20 или 40 м продолжают работать.

Между земной и ионосферной волной бывает разрыв

Земная волна постепенно ослабевает с расстоянием. Ионосферная волна после первого скачка возвращается не рядом с передатчиком, а значительно дальше. Между этими областями может возникнуть зона, где ни один сигнал не слышен. Её называют областью молчания (нем. Tote Zone, англ. skip zone).

Поэтому станция за полторы тысячи километров иногда слышит передатчик лучше, чем станция в шестидесяти километрах. Это не парадокс мощности, а геометрия двух разных способов распространения.