"Радио Всем", №6, март, 1929 год, стр. 165-167

Радиоволны в лесу.

С. Марьин.

Всякий техник, создавая какую-нибудь машину, заботится не только о том, чтобы эта машина вообще действовала, но и о том, чтобы она была экономична, то есть чтобы энергия, отдаваемая машиной, тратилась бы не попусту, а разумно. Ну, а как обстоит дело с соблюдением этого «режима экономии» на передающей радиостанции? К сожалению, весьма печально. Чтобы наше обвинение в «несоблюдении режима экономии» не было голословным, приведем некоторые цифры.

Мощная передающая радиостанция излучает энергию в несколько десятков киловатт. Между тем энергия, попадающая в приемную антенну, составляет малые доли милливатта¹. Значит, энергии одной мощной передающей станции хватило бы на сотни миллионов приемных установок. Между тем, в лучшем случае, на одну радиовещательную станцию приходится сто тысяч приемников. Следовательно, только доли процента энергии, излучаемой передатчиком, используются по своему прямому назначению (в приемных установках), а вся основная часть излучаемой станцией энергии пропадает зря. Однако радиотехника не виновата в этой «безумной расточительности». Ее принуждают в этому те условия, в которых происходит распространение радиосигналов.

Прежде всего, радиовещательная станция должна посылать свои сигналы во все стороны, чтобы ее можно было услышать на любой приемник, расположенный в каком угодно месте, но не слишком далеко от передающей станции. Поневоле, радиовещательная станция должна «выбрасывать» большое количество энергии, которая рассеивается, то есть пропадает без толку в окружащем пространстве. Но неизбежное рассеяние энергии это еще полбеды. Другая половина беды заключается в том, что энергия не только рассеивается в пространстве, но, кроме того, поглощается (и иногда очень сильно) при распространении. Вследствие заметного поглощения энергии радиовещательная станция должна «выбрасывать» в пространство еще большие количества энергии, чтобы хоть небольшая доля этой энергии достигла отдаленных приемных станций.

Положение дела с радиовещательной станцией напоминает положение дел с маяками. В ясную погоду, когда воздух чист и не поглощает света, огонь маяка, даже не очень яркого, можно различить на огромном расстоянии. Но в тумане, когда воздух очень сильно поглощает свет, огонь маяка трудно разглядеть даже вблизи и для того, чтобы он был заметен, приходится строить маяки очень большой яркости.

Поглощение энергии.

Поглощение радиоволн при распространении главным образом определяет дальность действия станции. Если бы радиоволны не поглощались на пути, то даже при малых мощностях можно было бы перекрыть огромные расстояния. Так, например, обстоит дело с короткими волнами, которые распространяются в верхних слоях атмосферы почти без поглощения. Наоборот, длинные волны распространяются по поверхности земли и при этом сильно поглощаются ею. Поэтому вопрос о поглощении радиоволн земной поверхностью имеет огромное значение для радиотехники.

Причина поглощения энергии земной поверхностью заключается в том, что земля представляет собой плохой проводник электричества. Ее омическое сопротивление довольно велико, и, значит, проводимость мала². Если бы земля была идеальным проводником, то есть ее омическое сопротивление было бы равно нулю, а проводимость бесконечно велика, то поверхность земли вовсе не поглощала бы энергии при распространении радиоволн. Но проводимость земли вовсе не бесконечно велика. И чем меньше проводимость земли, тем сильнее поглощает энергию радиоволн ее поверхность. Поэтому, например, при распространении радиоволн над поверхностью моря поглощение очень мало (морская вода обладает гораздо большей проводимостью, чем земля) и дальность действия станции гораздо больше, чем над сушей.

Проводимость земли.

Влияние проводимости земли на поглощение радиоволн можно учесть теоретически. Легко также (непосредственными измерениями) определить, какова проводимость земли. В результате можно подсчитать, как сильно поглощаются радиоволны земной поверхностью, и определить, по какому закону убывает энергия радиоволн (а следовательно и сила приема) при удалении от передающей радиостанции.

Соответствующие расчеты были произведены, причем проводимость земли была определена в 2,5·10⁸ электростатических единиц³. Эта цифра соответствует среднему значению проводимости земной поверхности, в отдельных случаях возможны конечно некоторые отклонения от этой величины.

После того как все расчеты были сделаны, у радиоспециалистов, совершенно естественно, возникло желание проверить результаты этих расчетов. В Англии были предприняты измерения силы поля, создаваемого Лондонской радиовещательной станцией 2LO в различных расстояниях и по различным направлениям от Лондона. И оказалось, что результаты измерений совершенно не совпадают с расчетами. Фактически убывание силы поля (и силы сигналов) при удалении от передающей радиостанции происходит гораздо быстрее, чем этого можно было ожидать нз расчетов. Значит, в действительности энергия радиоволн поглощается земной поверхностью гораздо сильнее, чем это следует из теоретических расчетов и принятой величины проводимости земли.

Но и этого мало. Результаты измерений привели еще к одному неожиданному выводу. Оказалось, что поглощение радиоволн земной поверхностью происходит по-разному в разных направлениях. На рис. 1 приведены кривые изменения силы поля с расстоянием⁴ в разных направлениях от станции; из этих кривых легко заключить, что слабее всего поглощаются волны, распространяющиеся в северном направлении (N), а сильнее всего поглощение происходит в направлении на юго-юго-запад (SSW).

Рис. 1. Кривые изменения силы поля с расстоянием.

Результаты измерений приводят в двум заключениям: во-первых, проводимость земной поверхности для распространения радиоволн оказывается меньше той, которую дают непосредственные измерения. Во-вторых, величина этой проводимости различна в различных направлениях. Из приведенных на рис. 1 кривых можно расчитать, какова должна быть проводимость земли в различных направлениях, чтобы результаты измерений совпали с расчетами. Вместо проводимости в 2,5⁵ получаются вот какие значения проводимости в различных направлениях:

N	—	1,0—0,75.	SSW	—	0,5—0,2.
NO	—	0,75—0,5.	W	—	0,5—0,3.
O	—	0,5—0,3.	NW	—	0,75—0,5.
SSO	—	0,5—0,3.

Между тем, действительная проводимость земной поверхности определялась во всех этих направлениях непосредственными измерениями, и оказалось, что величина ее во всех направлениях примерно одинакова и составляет в среднем именно 2,5. Значит, полученное в результате измерений уменьшение проводимости только кажущееся, а не действительное, и объясняется оно какой-то побочной причиной, вызывающей некоторое добавочное ослабление сигналов. Кроме не идеальной проводимости земли, есть повидимому еще какая-то причина, которая вызывает поглощение энергии радиоволн. Что же это за причины?

Влияние лесов.

Автор всех этих исследований, английский радиоспециалист Р. Барфильд, высказал предположение, что добавочное поглощение энергии радиоволи вызывается присутствием лесов. И одного взгляда на карту лесов Англии достаточно, чтобы убедиться в правдоподобности этой догадки.

Очевидно, что поглощение радиоволн деревьями должно быть тем более заметно, чем гуще леса. И как раз области к югу от Лондона, то есть те, в которых поглощение наиболее заметно, гуще всего покрыты лесами. Наоборот, области, лежащие к северу от Лондона, то есть в направлении, в котором поглощение происходит слабее всего, сравнительно бедны лесами. Но не только такие приблизительные сопоставления служат подтверждением догадки Барфильда. К хорошему совпадению с результатами измерений приводят и гораздо более точные детальные расчеты.

Сделав несколько вполне допустимых предположений, Барфильд подсчитал, как велико должно быть поглощение электромагнитных волн в зависимости от густоты лесов. Это увеличение поглощения, как мы уже сказали, приводит к кажущемуся уменьшению проводимости земли. По подсчетам Барфрльда кажущаяся проводимость земли уменьшается при увеличении числа деревьев, приходящихся в среднем на один квадратный километр территории, следующим образом:

0	деревьев	......	2,5
200	»	......	2,0
500	»	......	1,5
1000	»	......	1,0
2000	»	......	0,5
4000	»	......	0,2
6000	»	......	0,1

Следовательно, та малая проводимость земли, которая была вычислена из кривых поглощения, приведенных на рис. 1, вполне может быть объяснена присутствием лесов.

Больше того, когда была определена средняя густота лесов в разных направлениях от Лондона, то оказалось, что в северном направлении на один квадратный километр территории приходится в среднем до 1000 деревьев, что соответствует кажущейся проводимости земли — 1,0. В южном же направлении на один квадратный километр территории в среднем приходится от 2000 до 4000 деревьев, что соответствует кажущейся проводимости в 0,5—0,2. Таким образом, догадка Барфильда о причинах различной кажущейся проводимости земли в разных направлениях вполне подтвердилась. Но все же для проверки были произведены измерения зависимости силы поля от направления и расстояния для двух других волн (475 м и 720 м) и результаты получились те же самые.

Еще один "враг".

Итак, ко всем многочисленным «врагам» радиолюбителя прибавился еще один — леса. Правда, бороться с этим врагом нельзя (леса приносят все-таки гораздо больше пользы чем вреда, да и Наркомзем не позволит вести борьбу с лесами), но считаться с ним следует. Когда вы оцениваете возможность приема той или другой удаленной станции, полезно поинтересоваться, не слишком ли густые леса вас от этой станции отделяют, так как это заметно понижает шансы на успех.

У нас в СССР систематических наблюдений по вопросу о влиянии лесов на дальность передачи не велось, но то, что по этому вопросу известно, в общем подтверждает наблюдения и выводы Барфильда. Судя по сообщениям радиолюбителей, можно заключить, что в южном и юго-восточном направлении московские станции в среднем слышны на более далеком расстоянии, чем, например, в северном и северо-западном. А ведь именно в этих направлениях от Москвы лежат наиболее лесистые области, между тем как в направлении на юг и юго-восток от Москвы лесов сравнительно мало. Точно так же дальний прием северных советских станций (Вологда, Петрозаводск, Усть-Сысольск), лежащих в районах густых лесов, удается в общем гораздо реже, чем прием станций той же мощности и столь же удаленных, но лежащих в южных безлесных районах.

Все это, хотя и косвенно, но все же подтверждает тот факт, что леса препятствуют распространению радиосигналов, так как поглощают энергию электромагнитных волн. Но почему же леса поглощают электромагнитную энергию? Самым естественным был бы такой ответ на этот вопрос: растущее дерево — это проводник, правда, с большим сопротивлением. Но всякий проводник неизбежно поглощает энергию из окружающего его электромагнитного поля, и радиоволны, проходящие по лесистым местам, ослабляются вследствие этого поглощения. Так именно смотрели на этот вопрос до последнего времени. Однако совсем недавно в французской академии наук было высказано новое, очень смелое предположение относительно причин сильного поглощения электромагнитной энергии в лесистых районах. Авторы этого предположения считают, что поглощение энергии происходит не в самых деревьях, а в лесном воздухе, который, как известно, бывает сильно ионизирован и поэтому является проводником, заметно поглощающим электромагнитную энергию. Кстати, интересно отметить, что причиной ионизации лесного воздуха является очень короткие (ультрафиолетовые) лучи, излучаемые всеми растениями в процессе роста. Лучи эти впервые были открыты московским ученым, профессором Гурвичем и с тех пор, как стало известно об их существовании, их действие и влияние приходится обнаруживать очень часто, и сплошь да рядом в самых неожиданных местах.

Но во всяком случае, по первой или по второй причине (а может быть в результате действия обеих причин вместе) леса сильно поглощают энергию электромагнитных волн и тем самым заметно уменьшают дальность действия передающей радиостанции. Словом, радиолюбитель «родился под несчастливой звездой». Даже лес, который всем остальным людям приносит только пользу и доставляет одни радости, причиняет радиолюбителю неприятности н огорчения.