Диапазон 160 м является самым непредсказуемым, когда речь заходит о дальнем прохождении. Одним из факторов, затрудняющих прогнозирование распространения радиоволн в этом диапазоне, является повседневное изменение состояния ионосферы. Однако не менее важно попытаться выяснить взаимосвязь изменчивости состояния ионосферы и механизма волноводного распространения радиоволн для объяснения фактов проведения радиосвязей в диапазоне 160 м на очень протяженных трассах, а также рассмотреть гипотезу об очень сильной зависимости возможности проведения таких радиосвязей от сложных процессов в так называемой «нейтральной атмосфере».
Чаще всего дальнее прохождение в 160-метровом диапазоне (на трассах протяженностью более 4000 км) можно объяснить волноводным распространением радиоволн в слоях ионосферы. Дело в том, что основанные на используемой в настоящее время модели ионосферы результаты расчетов свидетельствуют: в темное время суток многоскачковое распространение радиоволн (т.е. с отражением от поверхности Земли) в диапазоне 160 м даже при оптимальных условиях прохождения, излучаемой мощности 1 кВт и усилении приемной антенны 0 дБи ограничено расстоянием всего 4000 — 4500 км.
Однако радиолюбители проводят в этом диапазоне DX-радиосвязи при менее благоприятных условиях относительно оптимальных, а также с меньшей излучаемой мощностью, менее эффективными антеннами и при более высоком уровне шумов в месте приема. Следовательно, велика вероятность, что на трассах протяженностью более 4000 км доминирующим механизмом может быть волноводное распространение радиоволн.
Многих радиолюбителей может удивить тот факт, что существует сильное поглощение радиоволн 160-метрового диапазона в ночное время, т.е. в период, когда исчезает слой D. Это объясняется двумя причинами: пропорциональностью поглощения концентрации электронов, что обуславливает ночной подъем области поглощения к слою Е, а также обратной пропорциональностью поглощения квадрату частоты. Таким образом, по сравнению с другими любительскими KB диапазонами, потери на поглощение максимальны именно в диапазоне 160 м.
Рассмотрение дальнего распространения радиоволн 160-метрового диапазона лучше всего начать с реального примера. В марте 2003 г. DX экспедиция немецких радиолюбителей вышла в эфир с территории Судана, используя позывной ST0RY. С 20 по 31 марта операторы очень активно работали в диапазоне 160 м. В этом диапазоне Carl, K9LA, еще не имел радиосвязей с Суданом, поэтому, разумеется, он тщательно следил за работой экспедиции ST0RY. По короткому пути расстояние между ними составляет 11044 км. В конце марта время захода Солнца для QTH K9LA было близко к 00.00 UTC, а в Судане Солнце всходило примерно в 04.00 UTC. Это обеспечивало неосвещенную трассу ST0RY — K9LA на протяжении четырех часов и вселяло надежду на успешное проведение столь желанной радиосвязи.
Полученная с помощью компьютерной программы Proplab Pro оптимизированная по силе принимаемого сигнала модель многоскачкового распространения радиоволн от ST0RY к K9LA в 02.00 UТС (среднее время между моментами захода Солнца для K9LA и восхода для STORY) показала, что напряженность поля, созданного пришедшим от STORY сигналом, составляет -64,9 дБ относительно 1 мкВ/м в предположении, что STORY излучает мощность 1 кВт в антенну с максимальным усилением 0 дБи (примерно такое усиление имеет четвертьволновой вертикал, установленный над землей со средней проводимостью почвы). Расчет для излучаемой мощности 50 Вт с учетом того, что Г-образная антенна K9LA имеет максимальное усиление 0 дБи, показал, что уровень сигнала на входе приемника составит всего лишь -158 дБм. Это примерно на 26 дБ ниже уровня собственных шумов трансивера OMNI VI Plus, который использует K9LA, и, что более существенно, гораздо ниже уровня внешних шумов (атмосферных и индустриальных). Так, например, уровень принимаемых Г-образной антенной шумов и помех в 160-метровом диапазоне составлял у K9LA примерно -103 дБм в полосе 500 Гц. Таким образом, прогнозируемый сигнал от STORY оказался на 55 дБ ниже уровня шумов. Следовательно, принять сигнал ST0RY было невозможно. И действительно, в диапазоне 160 м K9LA не слышал сигналы DX-экспедиции в течение всего периода ее работы за исключением двух ночей (22 и 28 марта), когда сигнал становился заметен на фоне шумов примерно в 03.30 UTC и вновь маскировался шумами в 03.40 UTC.
Объяснить, как пришедший сигнал оказался достаточным для приема, можно с помощью двух сценариев. По первому из них величина поглощения вдоль трассы многоскачкового распространения радиоволн протяженностью 11044 км уменьшилась в период продолжительностью не менее 20 мин по меньшей мере на 55 дБ (именно столько необходимо для подъема расчетной мощности -158 дБм до уровня шумов -103 дБм на позиции K9LA).
Второй сценарий предполагает существование более эффективного типа распространения радиоволн. Трудно назвать физические факторы, которые обусловили бы столь значительное снижение потерь на весьма протяженной трассе. Можно предположить, что существенное снижение поглощения объясняется обеднением концентрации свободных электронов в слое D ионосферы в результате изменений химического состава атмосферы и направлений ветров в ней при возмущениях, вызванных межпланетными потоками. Однако в период проведения DX-экспедиции ST0RY возмущений не было, и более правдоподобным представляется предположение о существовании более эффективного типа распространения радиоволн диапазона 160 м.
Моделирование с помощью программы Proplab Pro хода радиоволны на трассе K9LA — ST0RY для момента времени 03.30 UTC (среднего времени периода, наиболее благоприятного для установления радиосвязи) в предположении, что электромагнитная волна немедленно входит в волновод показывает, что напряженность поля в волноводе над позицией K9LA составляет около -17 дБ относительно 1 мкВ/м. При пересчете для случая излучаемой мощности 50 Вт с учетом эффективности приемной Г-образной антенны мощность сигнала составляет -99 дБм. В предположении, что еще несколько децибел будут потеряны из-за поглощения при снижении радиолуча к приемной антенне под большим углом, можно полагать мощность приходящего сигнала сравнимой с мощностью шумов (-103 дБм). При этих условиях вполне можно было принять сигналы ST0RY.
Для ночной ионосферы в обстановке спокойного геомагнитного поля существует «впадина» на графике распределения концентрации электронов, располагающаяся выше
пика, обусловленного слоем Е. Склоны этой «впадины» соответствуют нижней и верхней границам естественного волновода, в котором распространяется электромагнитная волна. Таким образом, обеспечена возможность зигзагообразного хода радиолуча с малым затуханием между нижними областями слоя F ионосферы и верхними областями слоя Е с апогеем около 155 км и перигеем около 110 км. «Впадина» развивается в ночной ионосфере и практически не существует днем. В условиях возмущенного геомагнитного поля «впадина» может заполниться электронами, что препятствует образованию волноводного распространения радиоволн.
Если вновь обратиться к примеру приема сигналов ST0RY, то следует отметить, что рост силы принимаемого сигнала наблюдался в интервале времени 03.20 — 03.49 UTC. Это соответствует приближению восхода Солнца для STORY (примерно в 04.00 UTC). Логично предположить, что именно восход «провоцирует» ввод электромагнитной волны в волновод или, по крайней мере, способствует этому явлению. Результаты проведенного с помощью Proplab Pro моделирования свидетельствуют о том, что для ввода электромагнитной волны в волновод углы возвышения антенн должны быть довольно малыми. Правда, здесь существует определенная «вилка»: с одной стороны, угол возвышения должен быть достаточно велик, чтобы излучение, не отразившись, прошло сквозь слой Е, а с другой — достаточно мал, т.к. для поддержания волноводного типа распространения радиоволна должна отражаться от слоя F. Рефракция радиоволн определяется показателями преломления слоев ионосферы, и энергетические потери существенно зависят от степени близости частоты сигнала к циклотронной частоте электронов и угла между магнитным полем Земли и направлением распространения электромагнитной волны. В силу этого, если даже предположить повсеместную возможность волноводного распространения в ночной ионосфере на высотах, соответствующих «впадине» на графике распределения концентрации электронов, для конкретного географического QTH ввод электромагнитной волны в волновод может оказаться более легким в одних направлениях и затрудненным (или невозможным) — в других.
При моделировании хода радиолуча для момента времени 02.00 UTC, значительно удаленного от времени восхода Солнца у ST0RY, волноводное распространение также оказалось возможным. При приближении к восходу слои ионосферы наклоняются, что может благотворно влиять на рефракцию, обеспечивающую ввод электромагнитной волны в волновод. Наклон слоев ионосферы происходит и при заходе Солнца.
Если электромагнитная волна вошла в волновод, то останется в нем, распространяясь порой на очень большие расстояния. Это реализуется в условиях стабильной ночной ионосферы, т.е. при сохранении характера распределения концентрации электронов по высоте вдоль трассы. В основном так и происходит, за исключением случаев заполнения «впадины» на графике распределения электронами, порожденными при полярных сияниях на высокоширотных участках трассы.
Иногда утверждается, что вывод электромагнитной волны из волновода происходит в силу того, что на некотором расстоянии ионизация слоя Е уже недостаточна для отражения электромагнитной волны вверх, к слою F. Однако компьютерная модель для трассы K9LA — ST0RY показывает, что дело обстоит иначе: над позицией K9LA электромагнитная волна по-прежнему остается в волноводе. Что заставило радиолуч спускаться к приемной антенне примерно в 03.00 UTC в течение двух ночей? Не похоже, чтобы это было вызвано наклоном слоев ионосферы, т.к. на позиции K9LA прошло уже три с половиной часа с момента захода Солнца, а до его восхода оставалось еще восемь часов.
Наиболее правдоподобной причиной спуска радиолуча являются неоднородности ионосферы, возникающие в результате ее повседневной изменчивости. Эти неоднородности действительно существуют, но следить за ними очень трудно вследствие их быстрого изменения. Именно поэтому в PropLab Pro и других компьютерных программах прогнозирования прохождения используется модель так называемой «среднемесячной ионосферы». После многих лет накопления данных производится сравнение между тем, что «происходило на Солнце», и что «происходило в ионосфере» для нахождения наилучшей корреляции между сглаженным числом солнечных пятен (или сглаженным уровнем потока радиоизлучения Солнца) и среднемесячными параметрами ионосферы. Данная методика применяется вследствие того, что до сих пор не разработана приемлемая модель ежедневной ионосферы.
Расчеты в Proplab Pro предполагают существование спокойной однородной ночной ионосферы, что не соответствует реальным условиям. Поэтому при моделировании хода радиолуча на трассе ST0RY — K9LA волна не вышла из волновода. Очень хорошей аналогией ионосферных неоднородностей является строение слоистого облака. Издалека оно выглядит сплошным и однородным. Однако при внимательном рассмотрении можно увидеть маленькие впадинки в облачном слое, комочки и, возможно, даже дырочки в нем.
Неоднородности существуют и в распределении концентрации электронов, приведенном на графике, причем форма склонов «впадины», обеспечивающей возможность волноводного распространения, не является стабильной. Вспомним о том, что величина рефракции, которую испытывает электромагнитная волна при данном градиенте концентрации электронов, обратно пропорциональна квадрату частоты. Таким образом, из всех любительских диапазонов именно в 160- метровом требуется наименьший градиент (самая малая неоднородность) для воздействия на рефракцию. Это также является причиной того, что радиоволны 160-метрового диапазона не могут достигнуть высот более 200 км.
Например, в некоторой точке верхней границы волновода степень ионизации может оказаться достаточно высокой для того, чтобы идущая вверх волна отразилась вниз под более крутым углом и в результате прошла сквозь слой Е к земной поверхности вместо отражения в этом слое для продолжения волноводного распространения. Если угол падения луча на нижнюю границу волновода не менялся, то волна может уйти из него к земле в области с концентрацией электронов, недостаточной для ее переотражения вверх.
Резюмируя сказанное о вводе электромагнитной волны в волновод, пребывания в нем и выводе из него, можно утверждать, что цельный процесс волноводного прохождения весьма хрупок, т.к. обусловлен многими вероятностными факторами.
Узконаправленным называют очень хорошее прохождение, наблюдающееся в небольшом географическом районе на протяжении некоторого времени. Некоторые исследователи полагают, что это прохождение является всего лишь результатом непредсказуемого выхода электромагнитной волны из волновода. Это звучит очень правдоподобно в силу существования неоднородностей ионосферы, способных обеспечить вывод радиоволны из волновода.
Результаты моделирования с помощью PropLab Pro свидетельствуют о том, что самым трудным этапом волноводного распространения радиоволн является именно вывод излучения. Это означает, что даже если в волноводе, проходящем над каким-то QTH, будет «барабанить» множество радиоволн, только счастливый случай наличия ионосферных неоднородностей, способных направить волну вниз, к приемной антенне, позволит принять сигнал.
Уже упоминалось о том, что неоднородности ионосферы являются результатом ее повседневной изменчивости. Каковы же причины этого явления?
Ученые из Центра космической физики Бостонского университета проанализировали данные по критической частоте для области F2 ионосферы за 34 года наблюдений (1957 — 1990 гг.). Хотя анализ проводился для области F2, его результаты очень существенны при рассмотрении распространения волн 160-метрового диапазона в более низких областях ионосферы.
Вначале ученые составили перечень возможных причин изменчивости слоя F, сгруппировав их в три широкие категории, приведенные в таблице. Этими категориями являются: ионизирующее излучение Солнца, солнечный ветер/геомагнитная активность/электродинамика и нейтральная атмосфера. Атмосфера считается нейтральной в случае, когда ионизировано не более миллионной части ее атомов и молекул. Таким образом, основная часть нейтральной атмосферы состоит из нейтральных (неионизированных) частиц, и на их движение могут воздействовать факторы, перечисленные в колонке «нейтральная атмосфера» таблицы. Учитывая, что положительные ионы обладают практически той же массой, что и нейтральные частицы, а вероятность столкновений между ними высока, то положительные ионы движутся в направлениях перемещений нейтральных частиц. За положительными ионами следуют электроны, «пытающиеся поддержать» нейтральность суммарного электростатического поля. В итоге электроны оказываются связанными с нейтральными частицами и перемещаются вместе с ними.
Результаты проведенного учеными из Бостонского университета анализа для области F2 вполне приемлемы и при выяснении лричин неоднородности ионосферы на меньших высотах, на которых предполагается существование механизма волноводного распространения волн 160-метрового диапазона. Более того, можно предположить, что образующие категорию «нейтральная атмосфера» явления играют даже большую роль в диапазоне 160 м по сравнению с более высокочастотными любительскими диапазонами, для которых очень важную роль играет область F2. Имеется в виду, что при распространении волн 160-метрового диапазона между слоями Е и F ионосферы вклад факторов категории «нейтральная атмосфера» в общую изменчивость ионосферы может превысить 15%—величину, рассчитанную учеными из Бостонского университета для области F2.
К сожалению, мы недостаточно много знаем об этих процессах, и наше ежедневное (точнее, еженощное) пребывание в эфире в диапазоне 160 м является единственным реальным способом не упустить возможность проведения DX-радиосвязей, которую предоставляют «хорошие» ночи.
CQ, December 2005