Распространение радиоволн в высоких широтах - ионосферная радиосвязь в диапазоне радиоволн 3-30 МГц, к-рую отличают отсутствие
стабильности и низкое качество, что обусловлено спецификой среды распространения
- сложной неоднородной структурой полярной ионосферы, формируемой процессами
взаимодействия ионосферы, магнитосферы Земли и возмущений плазмы в межпланетном
пространстве (см. также Солнечный ветер ).На низких широтах силовые линии
магн. поля проходят горизонтально над магн. экватором, оставаясь глубоко внутри
магнитосферы. В высоких широтах силовые линии близки к вертикальным и уходят
далеко от Земли в область внеш. магнитосферы или межпланетного пространства.
Т. к. заряж. частицы могут легко двигаться вдоль силовых линий, а поперёк с
трудом, то ионосфера низких и средних широт защищена от возмущений в солнечном
ветре, в то время как полярная ионосфера реагирует на них. Т. о., в полярной
ионосфере присутствуют два агента ионизации: первый, как и на ср. широтах,-
УФ-излучение Солнца и второй - корпускулярные потоки. При этом второй агент
часто оказывается преобладающим, напр. в условиях затенённой ионосферы и в период
геомагн. возмущений (суббурь).
Структурные зоны высокоширотной атмосферы, отличающиеся
особенностями Р. р.:
1. Авроральный овал (АО) - область по-выш. активности
полярных сияний, аномально повышенной ионизации как в слоях E и
F, так и на больших высотах (вплоть до 1000 км); расположен асимметрично
относительно геомагн. полюса и фиксирован относительно Солнца. В ночные часы
он попадает на геомагн. широты 60-70°, в дневные - на широты 70-80°
(рис.).
Среднее положение аврорального овала (штриховая
линия), минимума электронной концентрации главного ионосферного провала (точки)
и зоны аврорального поглощения (штрих-пунктир).
2. Главный ионосферный провал (ГИП) - область
пониженной ионизации, граничащая с полярной стороны с АО. В ночные часы ГИП
наблюдается на геомагн. широтах 50-60°,
в дневные часы примерно на 72-75°; наиб. выражен в ночные и утренние часы
и практически отсутствует в полуденные часы.
3. Высокоширотная полость - область пониженной
ионизации к полюсу от АО, как в слое F, так и выше. Направленные вверх
потоки лёгких ионов (O+, Н+), т. н. полярный ветер, приводят
к истощению ионосферы в этой области.
4. Зона аврорального поглощения - область повышенной
ионизации в слое D и ниж. части слоя Е, к-рая образуется вследствие
вторжения в ионосферу потоков энергичных электронов (с энергией > 40 кэВ).
Это кольцевая область в интервале геомагн. широт 60-74°, разомкнутая на
вечерней стороне Земли (18-20 ч местного времени).
Аномально высокая ионизация в слое F в
зоне АО или, наоборот, пониженная ионизация в области ГИП приводят к вариации
верх. предела диапазона частот - максимальной наблюдаемой частоты. С др. стороны,
аномальное поглощение в ниж. ионосфере ведёт к сужению диапазона частот за счёт
роста его ниж. предела - наименьшей наблюдаемой частоты.
Аномально повышенное поглощение ВЧ-радиоволн
в полярной ионосфере является одной из гл. причин нарушения связи и возникает
в результате увеличения концентрации заряж. частиц в слое D. Различают
4 типа аномального поглощения, каждый из к-рых соответствует определ. фазе в
ходе развития ионосферного возмущения, следующего за вспышкой на Солнце: внезапное
поглощение (ВП), наблюдаемое на всей освещённой полусфере Земли, обусловленной
эмиссией излучения во время солнечных вспышек; поглощение полярной шапки (ППШ),
к-рое наблюдается в приполюсной области на широтах, превышающих F !
60°; поглощение с внезапным началом (ПВН), возникающее в период внезапного
начала магн. бури в зоне полярных сияний. Обусловлено вспышками тормозного рентг.
излучения электронов, высыпающихся в ионосферу АО в результате резкого сжатия
земной магнитосферы под воздействием ударного фронта потока солнечной плазмы;
по интенсивности и продолжительности соответствует эффекту ВП; авроральное поглощение
(АП).
Поглощения типа ВП и ПВН появляются сравнительно
редко, имеют малую продолжительность (неск. десятков минут) и поэтому не играют
существ. роли в радиосвязи.
ППШ появляется после хромосферных вспышек на
Солнце, сопровождаемых потоками солнечных космических лучей, в осн. протонов.
На нач. фазе явления иногда регистрируются потоки солнечных электронов. Ослабление
радиосигналов может достигать 100 дБ. Интенсивное поглощение ВЧ-радиоволн начинается
спустя неск. часов после вспышки на Солнце - вначале вблизи геомагн. полюса,
затем постепенно охватывает всю полярную область на широтах.
В зависимости от степени освещённости Солнцем
полярных областей Земли поглощение радиоволн в ионосфере затухает в течение
2-3 сут до исходного фонового значения. Продолжительность ППШ может достигать
10 сут и более. Явление ППШ максимально днём и минимально ночью, различия при
этом составляют 4-6 раз. В сезонном распределении явлений ППШ нет чёткой закономерности,
однако можно отметить наим. вероятность появления ППШ в декабре. Наиб. число
случаев ППШ наблюдается в годы высокой солнечной активности (порядка 15-20 интенсивных
событий), в годы низкой солнечной активности ППШ практически не наблюдается.
АП - наиболее часто встречающийся тип поглощения
в высоких широтах, доставляющий наиб. трудности в поддержании устойчивой связи.
Вероятность появления АП может достигать 40% . Появление АП в ночное время тесно
связано с полярными сияниями и локальными
магн. возмущениями. Продолжительность индивидуальных случаев АП обычно не превышает
2 ч, однако чаще всего АП наблюдается в виде серии событий, накладывающихся
одно на другое. Источником увеличения ионизации в D-области, ответственной
за явление АП, являются потоки энергичных электронов с энергией 40
кэВ из магнитосферы, вторгающиеся в полярную
ионосферу на уровень области D и ниж. части области E (высоты
60-90 км). Максимум АП как по частоте появления, так и величине приходится на
широты F ! 64-67°. Характерной особенностью АП является существование
чёткой суточной вариации с двумя максимумами (дневным и ночным) и вечерним минимумом
(18-20 ч местного времени). В сезонном ходе выделяются два равноденственных
максимума, весной и осенью, из к-рых наибольший - весенний. Особенности пространственно-временного
распределения АП определяются уровнем магн. активности. С ростом магн. активности
центр зоны АП смещается к югу на F ! 63-65°, зона расширяется
почти вдвое и дневной максимум с 10-12 ч местного времени смещается на более
ранние часы (6-8 ч). По характеру влияние АП на условия распространения ВЧ-радиоволн
все трассы можно разбить на три группы.
1. Трассы, целиком проходящие внутри полярной
шапки и не пересекающие зоны АП. На таких трассах АП практически отсутствует
и надёжность связи может быть близка 100%, если исключить события ППШ.
2. Трассы, у к-рых хотя бы один из конечных пунктов
расположен в зоне АП. На таких трассах наблюдаются наиб. нарушения прохождения
радиоволн. Хорошие условия связи, когда прохождение достигает 80- 90%, возможны
лишь сравнительно ограниченное время. Ослабление ВЧ-сигналов может достигать
30-60 дБ в зависимости от частоты излучения.
3. Трассы, пересекающие зону АП, когда передающий
и приёмные пункты расположены относительно далеко от зоны. В этом случае условия
радиосвязи более благоприятные, чем во втором случае: на оптим. частотах прохождение
радиоволн составляет 90%. Большую роль при этом играют спорадич. слои Es, наблюдающиеся в области АО на высотах E-области ~110 км и связанные
с высыпанием электронов с энергией 1-10 кэВ. Их можно разбить на две группы:
Es с групповым запаздыванием и плоские Es. Вероятность
появления Es в зоне АО достигает 80-90% , а концентрация электронов
в максимуме слоя сравнима с электронной концентрацией в слое F2.
Такая ситуация способствует образованию волноводных каналов между слоями Es и F. Попадая в такой канал, радиоволна как бы перескакивает зону
АП, испытывая существенно меньшее поглощение (см. Полноводное распространение
радиоволн).
На Р. р. большое влияние оказывают область АО,
как наиб. нерегулярная с широким спектром мелкомасштабных неоднородностей от
сотен м до десятков км, к-рые могут быть результатом как прямого высыпания энергичных
частиц, так и следствием плазменных неустойчивостей, связанных с электрич. полями
магни-тосферного происхождения, а также область ГИП с большими горизонтальными
градиентами электронной концентрации. Эффект горизонтальных градиентов ГИП и
в ряде случаев и рассеяние на неоднородностях АО состоит в появлении нестандартного
ВЧ-распростра-нения с отклонением траектории радиоволны от плоскости дуги большого
круга. Эти т. н. азимутальные отклонения траекторий достигают 10-30° и более.
У сигналов с азимутальными отклонениями время распространения значительно больше
(до 50-100%), чем у нормальных сигналов, распространяющихся в плоскости дуги
большого круга, а их максимальная наблюдаемая частота обычно выше в 1,57,5
раза. Сигналы с азимутальными отклонениями наиб. часты зимой и в равноденствие.
Их появление, как правило, ухудшает радиосвязь, особенно в случае применения
остронаправленных антенн, а также за счёт
замираний (фединга) сигналов вследствие появления многолучёвости.
П. В. Нища
|
![]() |