Ионосфера является ключевой областью для распространения ВЧ-излучения — взгляните на эту страницу, чтобы узнать, что это такое; как он становится ионизированным; почему он поддерживает ВЧ-радиосвязь и как он поддерживает распространение радиоволн.
По мере распространения электромагнитных волн, а в данном случае радиосигналов, они взаимодействуют с объектами и средами, в которых они распространяются. При этом радиосигналы могут отражаться, преломляться или дифрагировать. Эти взаимодействия заставляют радиосигналы менять направление и достигать областей, которые были бы невозможны, если бы радиосигналы распространялись по прямой линии. Ионосфера является особенно важным регионом с точки зрения распространения радиосигналов и радиосвязи в целом. Его свойства определяют способы радиосвязи, особенно в диапазонах ВЧ-радиосвязи. Ионосфера – это область верхних слоев атмосферы, где имеются большие концентрации свободных ионов и электронов. В то время как ионы дают название ионосфере, но именно свободные электроны влияют на радиоволны и радиосвязь. В частности, широко известно, что ионосфера влияет на сигналы в коротковолновых радиодиапазонах, где она «отражает» сигналы, позволяя слышать эти сигналы радиосвязи на больших расстояниях. Радиостанции уже давно используют свойства ионосферы, чтобы обеспечить радиосвязь по всему миру. Хотя сегодня широко используются спутники, ВЧ радиосвязь с использованием ионосферы по-прежнему играет важную роль в обеспечении радиопокрытия во всем мире. Ионосфера простирается более чем на одну из метеорологических областей, включая мезосферу и термосферу, это область, которая характеризуется существованием положительных ионов (и, что более важно для радиосигналов, свободных электронов), и это связано с существованием ионы, благодаря которым он получил свое название.
Основы
Свободные электроны не появляются во всей атмосфере. Вместо этого обнаруживается, что количество свободных электронов начинает расти на высоте примерно 30 километров. Однако только на высотах от 60 до 90 километров концентрация становится достаточно высокой, чтобы начать оказывать заметное влияние на радиосигналы и, следовательно, на системы радиосвязи. Можно сказать, что именно на этом уровне начинается ионосфера. Ионизация в ионосфере вызывается главным образом излучением Солнца. В дополнение к этому очень высокие температуры и низкое давление приводят к тому, что газы в верхних слоях атмосферы существуют в основном в одноатомной форме, а не в виде молекул. На более низких высотах газы находятся в нормальной молекулярной форме, но по мере увеличения высоты одноатомные формы становятся более распространенными, а на высотах около 150 километров большинство газов находятся в одноатомной форме. Это очень важно, поскольку обнаружено, что одноатомные формы газов гораздо легче ионизируются, чем молекулярные.
Ионизация
Солнце испускает огромное количество излучения всех длин волн, и оно движется к Земле, сначала достигая внешних областей атмосферы. При создании ионизации обнаружено, что когда излучение достаточной интенсивности попадает на атом или молекулу, энергия излучения может быть удалена, а электрон удален, образуя свободный электрон и положительный ион. В приведенном ниже примере дан простой пример атома гелия, хотя другие газы, включая кислород и азот, встречаются гораздо чаще.
Излучение Солнца охватывает широкий спектр длин волн. Однако с точки зрения воздействия, которое он оказывает на атомы молекул, его можно рассматривать как фотоны. Электроны в атомах или молекулах можно рассматривать как вращающиеся вокруг центрального ядра, состоящего из протонов и нейтронов. Электроны связаны или привязаны к своей орбите вокруг ядра электростатическими силами, электрон заряжен отрицательно, а ядро заряжено положительно. В любой молекуле равное количество электронов и протонов, поэтому она электростатически нейтральна. Когда фотон сталкивается с атомом или молекулой, фотон передает свою энергию электрону в виде избыточной кинетической энергии. При некоторых обстоятельствах эта избыточная энергия может превышать энергию связи в атоме или молекуле, и электрон ускользает от влияния положительного заряда ядра. Это оставляет положительно заряженное ядро или ионы и отрицательно заряженный электрон, хотя, поскольку имеется одинаковое количество положительных ионов и отрицательных электронов, весь газ по-прежнему остается с общим нейтральным зарядом. Большая часть ионизации в ионосфере происходит из-за ультрафиолетового излучения, хотя это не означает, что другие длины волн не оказывают какого-либо влияния. Кроме того, каждый раз, когда атом или молекула ионизируется, используется небольшое количество энергии. Это означает, что по мере прохождения излучения дальше в атмосферу его интенсивность уменьшается. Именно по этой причине ультрафиолетовое излучение вызывает большую часть ионизации в верхних слоях ионосферы, а на более низких высотах излучение, способное проникнуть дальше, вызывает большую ионизацию. Соответственно, экстремальное ультрафиолетовое и рентгеновское излучение вызывают большую часть ионизации на более низких высотах. Это уменьшение этих форм излучения защищает нас на поверхности Земли от вредного воздействия этих лучей.
Уровень ионизации варьируется в зависимости от протяженности ионосферы и далеко не постоянен. Одна из причин заключается в том, что уровень радиации снижается с уменьшением высоты. Также меняется плотность газов. Вдобавок к этому различаются пропорции одноатомных и молекулярных форм газов, причем одноатомных форм газов гораздо больше на больших высотах. Эти и множество других явлений означают, что уровень ионизации изменяется с высотой. Уровень ионизации в ионосфере также меняется со временем. Оно меняется в зависимости от времени суток, времени года и многих других внешних воздействий. Одна из основных причин, по которой плотность электронов меняется, заключается в том, что Солнце, вызывающее ионизацию, видно только днем. В то время как излучение Солнца заставляет атомы и молекулы расщепляться на свободные электроны и положительные ионы. Возникает и обратный эффект. Когда отрицательный электрон встречает положительный ион, тот факт, что разнородные заряды притягиваются, означает, что они будут притягиваться друг к другу и могут объединяться. Это означает, что имеют место два противоположных эффекта расщепления и рекомбинации. Это известно как состояние динамического равновесия. Соответственно уровень ионизации зависит от скорости ионизации и рекомбинации.
Другие эффекты, такие как время года и состояние Солнца, также имеют большое значение. Солнечные пятна и солнечные возмущения оказывают большое влияние на уровень получаемой радиации, и эти эффекты рассматриваются в других статьях на этом веб-сайте, посвященных солнечным пятнам и солнечным возмущениям. Сезон тоже влияет. Опять же, это описано в других статьях на сайте Radio-Electronics.Com. Однако очень короткое время излучение, получаемое от Солнца, изменяется так же, как тепло от Солнца меняется в зависимости от времени года, и соответственно изменяется уровень ионизации и свободных электронов. Однако это очень упрощенный взгляд, поскольку в игру вступают и другие факты. Ионосфера представляет собой постоянно меняющуюся область. Очевидно, на него влияет солнечное излучение, и в результате этого меняются аспекты, в том числе время суток, географическое положение мира и состояние Солнца. В результате радиосвязь с использованием ионосферы меняется день ото дня и даже от часа к часу. Прогнозирование того, как будет возможна радиосвязь и какие радиосигналы могут распространяться, представляет большой интерес для различных пользователей радиосвязи, начиная от радиовещательных компаний и заканчивая радиолюбителями, пользователями систем двусторонней радиосвязи, пользователями морских мобильных систем радиосвязи и многими другими.