ЗАГАДКА ИОНОСФЕРЫ

РАДИОЭХО НА РАЗВЕДКЕ ИОНОСФЕРЫ

А первых же дальних радиолиниях обнаружили, что успех связи зависит от того, насколько удачно подоб­рана длина рабочей волны. М. А. Бонч-Бруевич с сотруд­никами установил, что работать на одной и той же волне днём и ночью нельзя. Днём передатчик необходимо на­страивать на более короткую волну, чем ночью.

Зимой, как правило, работают на волнах более длин­ных, чем летом. Этот принцип подбора «дневной» и «ноч­ной», «зимней» и «летней» волн, разработанный нашими учёными, применяется радистами всего мира.

Подбор волн, обеспечивающих наилучшую радиосвязь в разное время, стал возможен благодаря многолетнему изучению ионосферы и огромному количеству наблюдений за прохождением коротких волн в течение суток, сезона и года в разных направлениях и при различной активно­сти Солнца. Ещё в 1920 году, т. е. до того как радиолю­бители установили факт дальнодействия коротких волн, выдающийся советский радиоспециалист М. В. Шулейкин указывал, что ионосфера влияет на распространение ра­диоволн. Он впервые установил слоистое строение ионо­сферы и разработал основы теории преломления радио­волн в ионизированных слоях.

Когда партия и правительство поставили перед совет­ской наукой задачу исследования воздушных слоёв, отра­жающих радиоволны, для разведки ионосферы была призвана сама же радиотехника. М. А. Бонч-Бруевич создал в СССР мощную ионосферную станцию. Ионо­сферные измерения, организованные им в 1932 году в Ленинграде, основывались на принципе радиоэха, т. е. принципа, на котором зиждется современная радио­локация.

Радиолокация — это способ определения при помощи радиоволн точного положения в пространстве самолёта, корабля или другого предмета. Радиолокационная стан­ция посылает в определённом направлении короткую оче­редь радиоволн очень малой длины. Если на их пути встречается преграда, они отражаются и, как эхо, прихо­дят обратно. По воспринятому радиоприёмником отра­жённому сигналу определяют, что обнаружен какой-то объект, а по времени, затраченному радиоволнами на пробег туда и обратно, легко подсчитать расстояние до объекта.

Радиопередатчик ионосферной станции, расположен­ный в здании Ленинградского университета, излучал прямо вверх кратковременные радиосигналы, которые после отражения от ионизированного слоя атмосферы воз­вращались обратно. Приёмник, установленный на другом берегу реки Невы, улавливал отражённые сигналы. Так как скорость радиоволн известна, то по времени, разде­ляющему момент излучения и момент возвращения радио­сигнала, определяли путь, пройденный волной туда и об­ратно. Половина этого пути и составляет высоту ионо­сферы.

Теперь ионосферные измерения проводятся регулярно. Современная ионосферная станция во многом напоминает радиолокатор как по принципу действия, так и по устрой­ству. В её состав входят расположенные рядом передат­чик и приёмник с общей антенной. Передатчик посылает вверх одну за другой кратковременные очереди радио­волн, а приёмник, подключаемый к антенне во время паузы, улавливает радиосигналы, вернувшиеся после от­ражения от ионосферы (рис. 21).

Время, разделяющее момент излучения радиоволн и момент возвращения радиоэха, определяют при помощи замечательного прибора современной техники электронно­лучевой трубки. Подобные трубки применяются в теле­визорах.

Эта трубка устроена так, что электроны, вылетающие с поверхности раскалённого металлического цилиндрика— катода,— собираются в узкий пучок и направляются на круглый экран, покрытый специальным составом. Под ударами электронов экран начинает светиться, на нём образуется светлое пятнышко. Вследствие быстрого пере­мещения электронного пучка взад-вперёд, на экране воз­никает прямая светлая линия, проходящая по диаметру. Каждый раз, когда передатчик посылает вверх радиосиг­нал, в начале этой линии, слева, образуется острый вы­ступ. Когда сигнал возвращается, и приёмник улавливает

Радиоэхо, в правой стороне экрана, в определённом месте светящейся линии, возникает второй выступ. Чем больше времени затрачивает радиоволна на путешествие до ионо­сферы и обратно, тем дальше от левого выступа возникает правый выступ. Светлая линия на экране служит для отсчёта расстояний; положение правого выступа на ней зависит от расстояния до отражающего радиоволны пре­пятствия. Таким препятствием для коротких волн, излу­чаемых вверх, служит ионизированный воздух. Поэтому промежуток между светящимися выступами на экране показывает в определённом масштабе высоту ионизиро­ванного отражающего слоя.

Первые ионосферные станции вели измерения на опре­делённых волнах. Передатчик излучал вверх радиоволны только одной длины. Такие измерения давали возмож­ность организовать надёжную радиосвязь в определённое время суток на этой волне.

Теперь разработаны и построены более совершенные ионосферные станции. Измерения проводятся не на одной волне, а во всём диапазоне коротких волн. Передатчик станции автоматически и плавно меняет длину излучаемых волн; вместе с этим меняется и настройка приёмника. Так постепенно «прощупываются» основные слои ионосферы. Изображение, возникающее на экране трубки, непре­рывно фотографируют. На фотоплёнке получается кривая линия, показывающая, на каких высотах происходит отра­жение различной длины радиоволн, излучаемых станцией. Эта кривая называется ионосферной характеристикой (рис. 22). Она раскрывает специалисту тайны заоблачных высот; по ней определяют, на какой высоте расположены основные слои ионосферы.

Цикл измерений на автоматических ионосферных станциях занимает несколько минут или секунд. Это по­зволяет следить за быстропротекающими процессами в ионосфере, наиболее полно исследовать её строение и свой­ства, судить о газовом составе и плотности ионосферных слоёв, о температуре и степени ионизации.

Важнейшая задача, стоящая перед исследователем ионосферы,— это изучение ионизации. Раскрытие причин ионизации, её изменения в разных слоях ионосферы в те­чение суток и времён года поможет глубже познать за­коны распространения радиоволн. А это верный путь к тому, чтобы наладить надёжно действующую радиосвязь на коротких волнах.

Обычно стараются определить предельно короткую волну, которая может ещё в результате отражения вер­нуться обратно. Зная длину этой волны, можно определить количество свободных электронов в единице объёма воз­духа на высоте, где произошло отражение. Так радио­волна, отправленная в заоблачное путешествие, помогает узнать, какова же там степень ионизации.

Ионосферная станция может измерить предельно ко­роткую волну для каждого ионизированного слоя. При исследовании ионосферы удалось определить, что пре­дельно короткая волна для слоёв Р имеет гораздо мень­шую длину, чем для слоя Е. Отсюда и был сделан вывод,

Что количество электронов в каждом кубическом санти­метре в слоях Т7 значительно больше, чем в слое Е.

По ионосферным характеристикам, получаемым на фо­топлёнке, определяют не только те уровни, где воздух наи­более ионизирован, но и находят путём расчётов распре­деление концентрации свободных зарядов по вертикали во всей ионосфере.

Советские учёные обратили внимание, что иногда ра­диоэхо показывает на экране трубки большую высоту ионизированного слоя, чем это может быть даже при отражении от слоя Р2. Подобные случаи повторялись не­однократно. Так, при помощи радиоволн удалось нащупать новый ярус ионосферы, расположенный выше всех дру­гих. Его назвали слоем <3. Высота данного слоя состав­ляет 400—600 километров, а плотность свободных зарядов в нём примерно такая же, как в слое Р2.

Теперь ионосфера непрерывно находится под контро­лем ионосферных станций, количество которых всё время растёт. При их помощи учёные неотступно следят за тече­нием физических процессов в высоких воздушных слоях.

Изучение ионосферы путём применения радиоэха ве­дётся вот уже около четверти века. За это время накоплен богатейший материал, представляющий большую науч­ную ценность.

Первая постоянно действующая ионосферная станция в СССР была открыта в 1936 г. при Томском университете. Она была построена под руководством советского радио­физика В. Н. Кессениха. Многолетние исследования, про­ведённые этой станцией, помогли выявить изменения в ионосфере, повторяющиеся через каждые одиннадцать лет в связи с изменением солнечной активности. На основе этих данных можно предвидеть, как будет меняться иони­зация на протяжении следующего одиннадцатилетнего периода.

Создание ионосферных станций — крупное завоевание радиотехники. До их появления изучение законов распро­странения коротких радиоволн ограничивалось только простым наблюдением за прохождением волн на той или иной линии радиосвязи. С появлением ионосферных стан­ций специалисты получили новое мощное средство для изучения отражающего радиоволны слоя. Раскрывая тайну ионосферы, они успешно разрешают многие загадки радио.