"Радиолюбитель", №15-16, сентябрь, 1925 год, стр. 325-326

Путь радиоволн.

А. С. Ирисов

Казалось, что на таком вопросе, как распространение радиоволн, не стоит и останавливаться. Здесь все должно быть очень просто. Передающая станция излучает радиоволны, они распространяются в пространстве во все стороны одинаково и по кратчайшему пути достигают приемной станции. Но так будет только в однородном пространстве, а радиоволны, идущие от наших радиостанций, сразу попадают совсем не в однородную среду. Земля — проводник электричества, воздух, ее окружающий, в нижних слоях — непроводник (диэлектрик). В проводниках электромагнитные волны не могут распространяться — они поглощаются или отражаются от проводящей поверхности. Теория дает нам такую картину распространения электромагнитных волн в среде, ограниченной с одной стороны проводящей поверхностью, как изображено на рис. 1.

Рис. 1. Теоретическая картина распространения электромагнитных волн.

Чем дальше отстоит приемная станция от передающей, тем слабее прием. Сила приема зависит от той энергии, какую приносят с собою приходящие радиоволны. Энергия этих волн уменьшается по мере удаления их от передающей радиостанции. Вследствие этого и получаемая приемной радиостанцией энергия уменьшается в зависимости от расстояния до передающей станции. Однако, практика показывает, что это далеко не оправдывается в действительности. Сплошь и рядом более далекая приемная станция слышит данную передающую гораздо лучше, чем точно такая же близкая станция. Вместе с тем радиолюбители, наверное, и сами замечали, что прием одной и той же станции у них бывает разный: то лучше, то хуже. И. это несмотря на то, что и передающая и приемная станции работали совершенно одинаково, Причина изменений условий приема и передачи, очевидно, находится не в работе станций, а ее надо искать на пути между передающей и приемной станциями.

Путь наших радиоволн лежит в воздушной среде. В своих нижних слоях, у земной поверхности, воздух является, как было указано выше, непроводником — диэлектриком и распространение электромагнитных воли (радиоволн) здесь совершается почти так же, как в пустом мировом пространстве, и с той же самой скоростью (300.000 клм. в 1 сек.).

Рис. 2. Строение атмосферы.
(увеличенное изображение)

Вот почему и казалось, что распространение радиоволн между нашими станциями и можно об'яснить так просто, как изображено на рис. 1. Но это только на первый взгляд... Наша воздушная среда очень сложна по своему строению. Воздух с высотой постепенно становится все более и более разреженным и, кроме того, меняется его состав: в верхних слоях вместо сравнительно тяжелых газов (азота, кислорода и аргона) появляются легкие газы (гелий и водород). В нижепомещаемой таблице дано давление воздуха и его состав на различных высотах.

ТАБЛИЦА

Высота в клм. над уров. моря.	Давление ртутного столба в миллиметр.	Состав атмосферы в об'емных %%.
		Азот.	Кисло- род.	Аргон.	Гелий.	Водород.
0	760	78,1	30,9	0,94	Следы.	Следы.
20	41,7	85	15	0	Следы.	Следы.
40	1,92	88	10	—	Следы.	1
60	0,106	77	6	—	1	17
80	0,019	21	1	—	4	74
100	0,012	1	0	—	4	95
140	0,009	0	—	—	2	98
200	0,006	—	—	—	1	99
300	0,003	—	—	—	0	100
500	0,0016	—	—	—	0	100

Мы обычно имеем дело только с самым нижним слоем нашей атмосферы — со слоем, простирающимся в высоту всего на 12—15 клм. Этот слой называется тропосферой (рис. 2). В нем происходит образование облаков и осадков. Выше него лежит слой, называемый стратосферой. Его верхней границей считают высоту около 100 клм. Еще выше находится "водородный слой", где преобладающим газом является, как показывает само название, — водород. Слой этот простирается на высоту 600—800 клм. В этом слое газы очень разрежены, а разреженный газ хорошо проводит электричество. Таким образом, наши радиоволны должны распространяться в пространстве, состоящем из диэлектрика — воздуха в нижних своих слоях, ограниченного двумя проводящими слоями — внизу землей, сверху — проводящим разреженным газом. Радиоволны отражаются от верхнего разреженного проводящего слоя воздуха (рис. 3) подобно тому, как световые волны отражаются от зеркала. Этот верхний проводящий слой нашей атмосферы получил название "слоя Хевисайда", по имени американского физика Хевисайда (Heaviside), впервые предположившего о его существовании.

Рис. 3. Отражение эл.-маг. волн от верхнего проводящего слоя.

Проводимость воздуха зависит не только от достаточной его разреженности. Разреженность воздуха возрастает с высотой постепенно и, конечно, никакой резкой границы между отдельными слоями нашей атмосферы нет: тропосфера постепенно нереходит в стратосферу (высота для тропосферы в 12—15 клм. только приближенная), точно так же и стратосфера постепенно сменяется "водородным слоем". Процент содержания в воздухе кислорода и азота (тяжелых газов) все уменьшается, зато процент легких газов — гелия и водорода — увеличивается и на высоте 100 клм. уже встречается почти один водород (его около 90%); мы говорим, что приблизительно с высоты 100 клм. и начинается "водородный слой". Здесь разрежение очень велико — давление воздуха всего 0,013 мм. ртутного столба. При этом разрежении, как показывают лабораторные, опыты (с разрядами в газах в трубках Гейслера), молекулы газов расщепляются на заряженные части, так называемые ионы, и вследствие этого газ делается хорошим проводником электричества.

Необходимое условие для проводимости электричества газами и является присутствие в газах заряженных частиц или ионов. Выше 120 клм. в нашей атмосфере всегда имеется нужное для хорошей проводимости число ионов ¹). Мы и говорим, что на этой высоте лежит верхний проводящий слой. Однако, граница этого проводящего слоя может значительно снижаться. Днем, под действием солнечного света (его ультра-фиолетовых лучей), воздух в стратосфере "ионизируется" (т.-е. молекулы его расщепляются на ионы). Эта ионизация стратосферы усиливается еще благодаря тому, что сюда проникают свободные электроны, летящие от солнца во всех направлениях. Таким образом, воздух стратосферы днем становится более проводящим, а следовательно, днем граница верхнего проводящего слоя значительно опускается. Радиоволны вследствие этого испытывают отражение уже значительно ниже, чем ночью (см. рис. 4). Однако, дневное отражение радиоволн бывает не полное, часть их все таки проникает в стратосферу и там рассеивается. Эта часть радиоволн уже не попадает на приемную станцию и поэтому днем до наших радиостанций доходят волны более ослабленные, чем при ночном приеме. Следствием этого и является худший (ослабленный) прием наших радиостанций днем, тогда как ночью прием бывает лучше.

Рис. 4 и 5. Картина распространения электромагнитных волн в разное время суток.
(увеличенное изображение)

Таким образом, днем высота отражающего верхнего слоя ниже, ночью — выше, но вместе с тем днем больше энергии рассеивается (часть проникающая в стратосферу) и потому сила приема днем меньше, а ночью— больше. Совсем особые условия создаются вечером после заката солнца и утром при восходе солнца. В это время, как раз должна меняться высота верхнего проводящего слоя: вечером она повышается, утром понижается (см. рис. 5). Вечером солнце зашло и вместе с тем исчезает источник ионизации воздуха стратосферы, свободные ионы при своем движении сталкиваются, ионы, заряженные противоположными электричествами (положительным и отрицательным), соединяются друг с другом, образуя нейтральные молекулы, ионизация воздуха стратосферы вследствие этого уменьшается и этот слой становится худшим проводником электричества. В результате всего этого — граница проводящего слоя подымается выше и довольно скоро достигает своей ночной (нормальной) высоты.

Утром, с восходом; солнца воздух стратосферы начинает ионизироваться и граница проводящего слоя постепенно опускается все ниже и ниже, пока не устанавливается на своей дневной высоте.

На рис. 5 изображены различные случаи отражения радиоволн в то время, когда изменяется высота верхнего проводящего слоя. Явления отражения здесь весьма сложны. Отраженные волны то попадают на приемную станцию, то совсем минуют ее. В связи с этим происходит то улучшение приема, то ухудшение: может быть и такой случай, когда радиоволны, испускаемые передающей станцией, совсем не попадyт на приемную и тогда вообще приема не будет. Таким образом об'ясняется "скачущий" прием наших станций при восходе и заходе солнца.

Нужно заметить, что до наших приемных аппаратов доходят еще и радиоволны, идущие от отправительных станций по земной коре (см. рис. 4). Волны эти очень быстро, однако, затухают с расстоянием, так как они очень сильно поглощаются в этом проводящем слое.

Пока наши радиостанции работали на длинных и средних волнах (не меньше 500 метров), теория Хевисайдова слоя давала об'яснение всех довольно сложных явлений, которыми сопровождается распространение радиоволн около земного шара. Наши радиоволны не могут покинуть земной шар и уйти путешествовать в межпланетном пространстве вселенной: они, достигая верхнего проводящего слоя, отражаются от него обратно к земной поверхности. Это обстоятельство, конечно, очень ценно для наших земных радиосообщений, так как не позволяет энергии paдиоволн так сильно рассеиваться в пространстве, как это было бы без верхнего проводящего слоя. В связи с этим нам оказалось возможным для земной радиосвязи пользоваться менее мощными радиостанциями. Но верхний поводящий слой явится непреодолимым препятствием, если бы мы когда-нибудь пожелали установить радиосвязь с какой-нибудь другой планетой, например, с Марсом. Ни волны наших радиостанций, ни волны "марсианских" станций через него не могли бы пройти.

Рис. 6. Преломление электромагнитных волн.

За последнее время в радиотелеграфии стали употребляться "короткие волны" от 2 до 100 метров длины. Короткие радиоволны и длинные световые — родные сестры. Подобно световым волнам, короткие радиоволны испытывают в воздушной среде преломление (рис. 6) при прохождении через слои различной плотности. Мы здесь имеем явление, подобное всем известному миражу. Короткие волны могут так сильно преломиться, что даже не успеют дойти до верхнего отражающего слоя.

Наконец, на распространение коротких волн влияет и еще целый ряд метеорологических условий — туман, облака. Все эти обстоятельства влияют, конечно, на прием.