Тропосфера: когда радиогоризонт отступает
Как слои воздуха изгибают VHF- и UHF-сигнал и почему иногда открывается связь на сотни километров.
В уроке о радиогоризонте мы уже использовали одно атмосферное допущение: радиолуч обычно немного изгибается вниз. Причина находится в тропосфере (нем. Troposphäre, англ. troposphere) — нижней части атмосферы, где формируется погода.
Плотность, температура и влажность воздуха меняются с высотой. Вместе с ними меняется показатель преломления, поэтому радиоволна идёт не по идеально прямой линии. Плавное искривление её траектории называют рефракцией (нем. Refraktion, англ. refraction).
Измените состояние воздуха
Сравните, как вертикальный профиль атмосферы меняет траекторию VHF/UHF-сигнала.
Радиогоризонт получается чуть дальше геометрического, но связь всё равно ограничена высотой антенн и рельефом.
Обычная атмосфера уже меняет радиогоризонт
В стандартной модели свойства воздуха меняются постепенно, и луч слегка изгибается к Земле. Поэтому радиогоризонт обычно дальше геометрического. Это тот самый эффект, который был спрятан в коэффициенте 4,12 в формуле радиогоризонта.
Но атмосфера не обязана быть стандартной. Погода перестраивает вертикальный профиль воздуха, а вместе с ним — и траекторию радиоволн. Поэтому расчёт радиогоризонта даёт разумную отправную точку, но не обещает неизменную дальность каждый день.
Инверсия усиливает изгиб луча
Обычно воздух у поверхности теплее, а с высотой становится холоднее. При температурной инверсии (нем. Temperaturinversion, англ. temperature inversion) над холодным воздухом оказывается слой более тёплого. Резкое изменение температуры и влажности создаёт сильный градиент показателя преломления.
Радиоволна не отражается от этого слоя как от металлической пластины. Она постепенно преломляется сильнее обычного и может снова приблизиться к Земле далеко за радиогоризонтом. На VHF и UHF так возникают дальние прохождения (нем. Überreichweiten, англ. tropospheric enhancement) на сотни километров.
Стабильные слои часто образуются при спокойной погоде, высоком давлении, над морем и в прибрежных районах. Но одного прогноза погоды недостаточно: важен весь профиль температуры и влажности по высоте вдоль радиолинии.
Тропосферный канал удерживает волну
При особенно сильном градиенте волна может оказаться внутри слоя, из которого ей трудно выйти. Она многократно изгибается между его границами и распространяется как в широком естественном волноводе. Это тропосферный канал (нем. troposphärischer Kanal, англ. tropospheric duct).
Канал способен перенести VHF-, UHF- и даже более высокочастотный сигнал на сотни, а при редких условиях — более чем на тысячу километров. Но такая связь зависит от геометрии слоя: станция может прекрасно слышать далёкий маяк и одновременно не слышать другую станцию чуть в стороне или выше канала.
Рассеяние работает иначе
Даже без инверсии небольшая доля энергии рассеивается на неоднородностях тропосферы. Если передающая и приёмная антенны направлены в общую область над горизонтом, часть рассеянного сигнала может попасть к приёмнику. Это называют тропосферным рассеянием (англ. troposcatter).
Такой сигнал намного слабее канального и требует направленных антенн, мощности и чувствительного приёма. Зато это отдельная инженерная техника, а не ожидание редкого погодного открытия.