Тропосферный волновод
Под влиянием тропосферы УКВ могут распространяться на большие расстояния, до 1000 км и более. Такое распространение происходит нерегулярно и требует применения антенн с большим усилением и передатчиков большой мощности. Основными факторами, способствующими дальнему распространению УКВ в тропосфере, являются повышенная рефракция радиоволн, отражение от слоистых неоднородностей тропосферы и рассеяние турбулентными неоднородностями тропосферы. Большей частью эти факторы действуют одновременно, и трудно разделить их влияние.
Иногда в тропосфере создаются такие условия, что коэффициент преломления изменяется с высотой необычно. Например, после захода солнца поверхность Земли быстро охлаждается; охлаждаются и нижние слои воздуха, верхние же слои еще остаются нагретыми. Значит, температура воздуха в этом случае не убывает, а возрастает с высотой и коэффициент преломления убывает с увеличением высоты более резко, чем при нормальной рефракции.
Резкое убывание коэффициента преломления тропосферы с высотой часто наблюдается над водной поверхностью: вблизи воды влажность воздуха велика и резко убывает с изменением высоты. Возможно и обратное явление: ветер принес холодный воздух с моря, вблизи же Земли воздух остался теплым. Тогда температура убывает с высотой быстрее, чем обычно, а коэффициент преломления убывает с высотой медленнее, чем обычно, или может даже возрастать.
При нормальной тропосферной рефракции коэффициент преломления меняется на 4*10-15 при подъеме на каждые 100 м, при этом траектория радиоволны представляет собой дугу окружности радиусом 25 000 км, обращенную выпуклостью вверх. При отрицательной тропосферной рефракции коэффициент преломления возрастает с высотой, траектория луча обращена выпуклостью вниз, и волна удаляется от земной поверхности быстрее, чем при нормальной рефракции. Это приводит к уменьшению напряженности поля на данном расстоянии и к уменьшению дальности распространения УКВ. Если при нормальной рефракции был возможен прием радиоволн где-то на границе прямой видимости, то при появлении отрицательной рефракции прием в данном месте станет невозможным.
При положительной тропосферной рефракции коэффициент преломления убывает с высотой быстрее, чем при нормальной рефракции, траектория волны обращена выпуклостью вверх и имеет меньший радиус кривизны. Если показатель преломления изменяется с высотой больше чем на 16*10-6 на каждые 100 м, то траектория луча станет настолько изогнутой, что волна получит возможность вернуться на земную поверхность, такое явление называется сверхрефракцией. В случае положительной рефракции напряженность поля на данном расстоянии от передатчика увеличивается и увеличивается дальность распространения радиоволн. Положительная рефракция и сверхрефракция радиоволн наблюдаются обычно в антициклонную погоду при вечернем охлаждении почвы и наиболее часто в теплое время года. Рефракционные свойства тропосферы меняются сравнительно медленно, поэтому поле, обусловленное повышенной рефракцией, оказывается достаточно устойчивым, без глубоких замираний.
Когда область сверхрефракции простирается на значительные расстояния над земной поверхностью, то в этом районе УКВ могут быть приняты на весьма больших расстояниях от передатчика. Распространение УКВ в этом случае происходит следующим образом: вернувшийся на Землю луч отражается от земной поверхности, затем рефрагирует в тропосфере и снова возвращается на Землю, радиоволна распространяется путем последовательного отражения от тропосферы и поверхности Земли. Это явление напоминает распространение радиоволн в металлическом волноводе и поэтому получило название тропосферного волновода. В отличие от металлического волновода стенки тропосферного волновода полупрозрачны. Только часть энергии волны отражается в тропосфере, а часть, преломляясь, проходит через нее и не возвращается на Землю.
При одних и тех же условиях рефракции более короткие волны лучше отражаются и меньше просачиваются сквозь «стенки» тропосферного волновода. Для тропосферного волновода определенной высоты hв по аналогии с металлическим имеется некоторая критическая длина волны λкр Волны длиннее критической быстро затухают и не распространяются в волноводе. Поэтому распространение радиоволн в условиях тропосферного волновода наблюдается чаще всего на дециметровых и сантиметровых волнах и реже на метровых. Размеры тропосферного волновода должны во много раз превосходить длину волны. Так, для сантиметровых волн необходим волновод высотой 30—35 м.
Теоретически возможность распространения УКВ в условиях волноводного канала была установлена советским ученым П. Е. Краснушкиным в 1943 г. Дальнейшее развитие теория тропосферного волновода получила в работах В. А. Фока. Влияние волноводного канала на распространение УКВ неоднократно тщательно исследовалось. С этой целью проводились наблюдения за напряженностью поля УКВ на трассах протяженностью 200—300 км. Одновременно тщательно исследовались метеорологические условия на разных высотах над поверхностью Земли (при помощи приборов, установленных на воздушных шарах или самолетах). Причем если метеорологические измерения ведутся в средней части пути, то результаты метеорологических измерений точно совладают во времени с изменением напряженности поля. На основании метеорологических данных можно делать прогнозы распространения УКВ. Исследование влияния атмосферных условий на распространение УКВ по изменению условий распространения позволяет судить об изменениях в атмосфере и использовать это для прогнозирования погоды.
Во всех ли случаях появление тропосферного волновода улучшает условия работы УКВ радиолинии? Оказывается, бывают случаи, когда при появлении атмосферного волновода работа радиолинии полностью нарушается. Так, например, когда на побережье Австралии впервые установили радиолокационные установки, то обнаружилось, что часто сильно увеличивалась дальность «видимости» станций для объектов, находящихся на морской поверхности, и в то же время станции, следящие за самолетами, переставали обнаруживать их при сравнительно небольших расстояниях. Для исследования причин сокращения видимости радиолокационных установок, следящих за самолетами, были проведены специальные наблюдения. Самолет совершал полет в сторону моря на расстояние до 200 км, то поднимаясь до 1000 м над уровнем моря, то снижаясь до бреющего полета. В это время работала береговая радиолокационная станция на частоте 200 МГц и велись метеорологические наблюдения, позволившие определить изменение коэффициента преломления тропосферы с высотой.
Многочисленные наблюдения показали, что сверхдальний тропосферный прием чаще всего проявляется во время антициклонов, главным образом летом во второй половине дня или вечером. Отмечено появление атмосферных волноводов зимой или в утренние часы. На различных трассах в разных климатических условиях благоприятные условия для образования атмосферных волноводов могут появляться в разное время.
Для тропосферного распространения характерна лучшая слышимость при меньших расстояниях. На частоте 430 МГц слышимость бывает лучше, чем на частоте 144 МГц. Это объясняется тем, что для распространения более коротких волн условия сверхрефракции должны выполняться на меньшем интервале высот, что наблюдается чаще. Для волн частотой 144 МГц высота волновода должна быть не менее 400 м, а для волн частотой 430 МГц — может не превосходить 100 м. Переход к еще более высоким частотам увеличит число случаев дальнего тропосферного распространения УКВ. Радиолюбители ФРГ, Англии, США, работающие на частотах 1215 МГц, 10 ГГц, отмечают частые случаи дальних тропосферных связей на расстоянии до 500, а иногда и до 1000 км.
Понятно, что при разнообразных климатических условиях нашей обширной страны в разных районах различно и время появления условий, благоприятных для сверхдальнего распространения.
Использованная литература: Г.П. Грудинская. Распространение коротких и ультракоротких волн. Массовая Радио Библиотека. Выпуск 1034, 1981.
