Распространение радиоволн в высоких широтах. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

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 E_s, 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: E_sс групповым запаздыванием и плоские E_s. Вероятность появления E_s 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 E_s 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 1,5

7,5 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.

Литература по распространению радиоволн в высоких широтах

Знаете ли Вы, что в 1965 году два американца Пензиас (эмигрант из Германии) и Вильсон заявили, что они открыли излучение космоса. Через несколько лет им дали Нобелевскую премию, как-будто никто не знал работ Э. Регенера, измерившего температуру космического пространства с помощью запуска болометра в стратосферу в 1933 г.? Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.