Разпространение на дълги и средни вълни
§ 1.1. ХАРАКТЕРИСТИКИ НА РАЗПРОСТРАНЕНИЕТО НА ДЪЛГИ И СВЪРХДЪЛГИ ВЪЛНИ
Радиовълните с дължина от 1000 до 10 000 m се наричат дълги (честота 300-30 kHz), а радиовълните с дължина над 10 000 m се наричат свръх дълги (честота под 30 kHz).
Дългите и особено свръхдългите вълни се абсорбират слабо, когато преминават през сушата или морето. Така вълни с дължина 20-30 км могат да проникнат няколко десетки метра дълбоко в морето и следователно могат да се използват за комуникация с потопени подводници, както и за подземна радиокомуникация.
В тези диапазони на радиовълни за всички видове земна повърхност токовете на проводимост значително преобладават над токовете на изместване, поради което по време на разпространението на повърхностна вълна се получава само леко поглъщане на енергия. Дългите вълни се дифрактират добре около сферичната повърхност на Земята.
И двата фактора определят възможността за разпространение на дълги и свръхдълги вълни от земна вълна на разстояние от около 3000 km. В този случай за разстояние от 500-600 км силата на електрическото поле може да се определи по формулата на Шулейкин-Ван дер Пол
-
, (1,0)
На разстояния, по-големи от 2000-3000 km, земните и йоносферните вълни не се появяват отделно. Разпространението става подобно на разпространението във вълновод, чиито стени са повърхността на Земята.и долната граница на йоносферата.
Пропускливостта на йоносферата в тези вълнови ленти се определя от израза и условието за отражение се записва като,
където е по-малко или равно на .
В този случай височината на отражение зависи от закона за промяна с височина както , така и . Изчисленията и експериментите показват, че през деня отражението на тези вълни може да се случи на долната граница на слояE, а през нощта - на долната граница на слояD.Електрическата проводимост в тази област на йоносферата за дълги вълни е доста значителна (но хиляди пъти по-малка от електрическата проводимост на сухата земна повърхност), а токовете на проводимост се оказват от същия порядък като токове на изместване. Следователно долната част на йоносферата за дълги вълни има свойствата на полупроводник.
При дълги, особено свръхдълги дължини на вълните, електронната плътност наDиEслоевете се променя рязко по дължината на вълната. Следователно тук се получава отражение, както на границата въздух-полупроводник, без радиовълната да проникне в дебелината на йонизирания газ. Това е причината за слабото поглъщане на дългите и свръхдългите вълни в йоносферата.
Разстоянието от земната повърхност до долната граница на йоносферата е 60-100 км. Това разстояние е от същия порядък като дължината на вълната (дълга и много дълга), така че вълните се разпространяват между две близко разположени полупроводникови концентрични сфери, едната от които е Земята, а другата е йоносферата. Условията на разпространение в този случай са приблизително същите като в диелектричен вълновод (фиг. 1.2).
Както във всеки вълновод, могат да се отбележат оптималните вълни - вълни, разпространяващи се с най-малкозатихване и критични вълни - вълни с ограничаваща дължина на вълната, които все още могат да се разпространяват. За вълновод, образуван от Земята и йоносферата, вълните с дължина 25–35 km са оптимални, а вълна от около 100 km е критична.
В сферичен йоносферен вълновод фазовата скорост на радиовълните надвишава скоростта на светлината в свободното пространство. При честоти над 10 kHz разликата между фазовата скорост и скоростта на светлината е малка, приблизително . Фазовата скорост обаче варира в зависимост от разстоянието, зависи от електронната плътност и броя на сблъсъци на електрони с молекули в областта на йоносферата, където се отразяват радиовълните. Това води до нестабилност на фазата на вълната главно в сутрешните и вечерните часове, когато височината на отразяване на дългите вълни се променя, което трябва да се вземе предвид при работа на дълговълнови радионавигационни системи.
Методите за изчисляване на силата на полето на дългите вълни на големи разстояния от предавателя се основават на разглеждането на модела на полето на йоносферния вълновод. Всъщност цялата електромагнитна енергия, излъчвана от антената, се оказва затворена между две сфери и се разпространява между тях във всички посоки, тъй като ненасочените антени обикновено се използват в обхвата на дългите вълни (виж Фиг. 1.2). С отдалечаване от антената, пръстеновидното сечение на сферичния вълновод се увеличава, докато вътрешният радиус на пръстена, в който се разпространява вълната, достигне радиуса на земното кълбо. С по-нататъшно увеличаване на разстоянието площта на пръстена отново намалява и вълновата енергия се концентрира. Естеството на промяната в силата на електрическото поле на дългите вълни с разстояние на голямо разстояние от предавателя е показано на фиг. 1.3 с плътна линия. Прекъсната крива
показва естеството на промяната в силата на електрическото поле в сферичен вълновод с идеално проводящи стени.
Изчисляването на напрегнатостта на електрическото поле на дълги и свръхдълги вълни обикновено се извършва по емпирични формули, най-често по формулата на Остин. Използвайки формулата на Остин, можете да изчислите силата на електрическото поле на дългите вълни през деня за разстояния до 16 000-18 000 km над морето и сушата, а във втория случай започвайки от разстояния от 2000-3000 km.
Формулата на Остин е следната:
-
, (1.1) където ъгълът е показан на фиг. 1.2
Основното предимство на дългите вълни е по-голямата стабилност на силата на електрическото поле: силата на сигнала по комуникационната линия се променя малко през деня и през цялата година и не подлежи на случайни промени. Достатъчна сила на електрическото поле за приемане може да се постигне на разстояние над 20 000 км, но това изисква мощни предаватели и обемисти антени.
Недостатъкът на дългите вълни е невъзможността за предаване на широка честотна лента, необходима за излъчване на говорим език или музика. Понастоящем дългите и свръхдългите радиовълни се използват главно за телеграфни комуникации на дълги разстояния исъщо и за навигация.
Условията за разпространение на свръхдълги радиовълни се изучават чрез наблюдение на гръмотевични бури. Мълниеносният разряд е токов импулс, съдържащ трептения с различни честоти, от стотици херца до десетки мегахерца. По-голямата част от енергията на импулса на мълния разряд попада в обхвата на трептенията, съответстващи на свръхдългите вълни. Трептенията от мястото на произход се разпространяват във всички посоки и вълни с различна дължина изпитват различно поглъщане по време на разпространението и пристигат в различни фази. В резултат на това импулсът, който идва на значително разстояние от мястото на изхвърлянето, се изкривява. Чрез импулсното изкривяване се изследват свойствата на сферичния вълновод Земя-йоносфера.
В обхвата на дългите вълни се наблюдава вид смущение - „свиреща атмосфера“. Той се възприема от ухото като сигнал, чиято честота варира във времето (0,5-1 s от около 400 до 8000 Hz). Източникът на „свистящата атмосфера“ е мълния, която възбужда свръхдълги вълни. Когато вълна се разпространява в йонизиран газ по посока на силовите линии на постоянно магнитно поле при 1,4 MHz, вълната не се отразява от йоносферата, тъй като диелектричната константа на йоносферата винаги е по-голяма от единица. Вълната се разпространява по линиите на магнитното поле на Земята, прониква през цялата дебелина на йоносферата и може да бъде получена на Земята в другия край на линията на магнитното поле, както е показано схематично на фиг. 1.4.
Сигналът, отразен от земната повърхност, се движи по обратния път и може да бъде получен на мястото на разряда на мълнията.Времето на забавяне на такива сигнали е 2-3 s, от което следва, че те пътуват на разстояние от много хиляди километри, отдалечавайки се от Земята на разстояние 10 000-15 000 km. Това явление привлече вниманието на изследователите, тъй като наблюдението на "свирещи атмосфери" позволява да се получи информация за състоянието на магнитното поле на Земята и плътността на средата на голямо разстояние от нейната повърхност.