В ионосфере есть несколько различных областей ионосферы, которые по-разному влияют на распространение радиосигналов и радиосвязь: уровень D, уровень E, уровень F, который делится на уровни F1 и F2, по-разному влияют на радиосигналы.
Традиционный взгляд на ионосферу указывает на ряд отдельных слоев, каждый из которых несколько по-разному влияет на ВЧ-радиосвязь. Действительно, ранние открытия ионосферы указывали на наличие ряда слоев. Слои были обозначены слоями D, E и F ионосферы, и концепция отдельных слоев с этими названиями сохранялась в течение многих лет. Рассматривая ионосферу и то, как она влияет на радиосигналы, стоит более подробно рассмотреть распространение ионизации в ионосфере, а также то, как различные области ионосферы влияют на сигналы радиосвязи и как это можно использовать.
Ионосферные регионы
Хотя концепция отдельных слоев D, E и F является удобным способом представления структуры ионосферы, она не совсем верна. Ионизация существует во всей ионосфере, ее уровень меняется с высотой. Пики уровня можно рассматривать как разные слои или, возможно, правильнее, как области. Следовательно, терминология областей D, E и F является более подходящей. Ниже остальных находится также область С, но уровень ионизации настолько низок, что не оказывает никакого влияния на радиосигналы и радиосвязь, и о ней редко упоминают.
Различные слои или области ионосферы имеют разные характеристики и по-разному влияют на радиосвязь. Существуют также различия в том, как именно они создаются и поддерживаются. В связи с этим стоит более подробно рассмотреть каждую из них и то, как они меняются в течение всего дня в светлое и темное время суток.
D-регион
Когда ионосферная волна покидает поверхность Земли и движется вверх, первая представляющая интерес область, которую она достигает в ионосфере, называется D-слоем или D-областью. Он присутствует на высоте от 60 до 90 километров, и излучение внутри него присутствует только в течение дня в такой степени, что заметно влияет на радиоволны. Он поддерживается радиацией Солнца, и уровни ионизации быстро падают в сумерках, когда источник излучения удаляется. Слой D в основном генерируется под действием формы излучения, известной как излучение Лаймана, которое имеет длину волны 1215 Ангстрем и ионизирует газообразный оксид азота, присутствующий в атмосфере. Жесткие рентгеновские лучи также способствуют ионизации, особенно ближе к пику солнечного цикла. Слой D или область D в основном влияет на поглощение или ослабление сигналов радиосвязи, особенно в НЧ и СЧ частях радиоспектра, его влияние уменьшается с увеличением частоты. Ночью падение уровня ионизации означает, что он мало влияет на большинство сигналов радиосвязи, хотя его еще достаточно для преломления сигналов ОНЧ. Эта область ослабляет сигналы по мере их прохождения. Уровень затухания зависит от частоты. Низкие частоты ослабляются больше, чем высокие. Фактически установлено, что затухание изменяется обратно пропорционально квадрату частоты, т.е. удвоение частоты снижает уровень затухания в четыре раза. Это означает, что низкочастотные сигналы часто не достигают более высоких областей, за исключением ночи, когда область исчезает.
k = константа
f = рабочая частота (Гц)
Область D ослабляет сигналы, потому что радиосигналы заставляют свободные электроны в этой области вибрировать. Когда они колеблются, электроны сталкиваются с молекулами, и при каждом столкновении происходит небольшая потеря энергии. Когда вибрируют бесчисленные миллионы электронов, потери энергии становятся заметными и проявляются в снижении общего уровня сигнала. Величина потери сигнала зависит от ряда факторов.
- Количество присутствующих молекул газа: Одним из факторов является количество присутствующих молекул газа. Чем больше число молекул газа, тем больше число столкновений и, следовательно, больше затухание. На высоте, где существует область D, все еще существует относительно высокий уровень молекул газа и, следовательно, существует достаточно большое количество столкновений ионов с молекулами, чтобы во многих случаях поглотить большое количество энергии.
- Уровень ионизации: Уровень ионизации также очень важен. Чем выше уровень ионизации, тем больше электронов колеблются и сталкиваются с молекулами.
- Частота сигнала. Третьим основным фактором является частота сигнала. По мере увеличения частоты длина волны колебаний укорачивается, а количество столкновений между свободными электронами и молекулами газа уменьшается. В результате сигналы с более низкими частотами в радиочастотном спектре ослабляются намного сильнее, чем сигналы с более высокими частотами. Несмотря на это, высокочастотные сигналы все еще страдают от некоторого снижения мощности сигнала.
С практической точки зрения установлено, что уровень затухания достаточен для предотвращения попадания сигналов в СЧ-части спектра на более высокие уровни. Однако ночью, когда ионизация в области D падает, они могут достигать более высоких слоев, и могут быть услышаны сигналы издалека. Это очевидно в среднем диапазоне волн и более высоких частотах, где сигналы поглощаются D-диапазоном. Сигналы на более высоких частотах, которые «отражаются» более высокими областями ионосферы, также будут до некоторой степени ослаблены, хотя это будет зависеть от частоты. Стоит отметить, что для каждого отражения сигнал должен будет дважды пройти через D-область, каждый раз затухая. Поэтому сигналы, отраженные несколько раз, могут значительно затухать.
Регион E
Область E или слой E находится над областью D. Встречается на высоте от 100 до 125 километров. Вместо того, чтобы ослаблять сигналы радиосвязи, этот слой в основном преломляет их, часто до такой степени, что они возвращаются на землю. Как таковые, они, кажется, были отражены этим слоем. Однако этот слой все же в определенной степени действует как аттенюатор. На высоте, где существует слой E или область E, плотность воздуха намного меньше, чем в области D. Это означает, что когда свободные электроны возбуждаются радиосигналами и вибрируют, происходит гораздо меньше столкновений. В результате способ действия Е-слоя или Е-области несколько отличается. Электроны снова приводятся в движение радиосигналом, но имеют тенденцию переизлучать его. Поскольку сигнал распространяется в области, где плотность электронов увеличивается, чем дальше он продвигается в область, тем больше сигнал преломляется от области с более высокой плотностью электронов. В случае ВЧ-сигналов этого преломления часто бывает достаточно, чтобы отклонить их обратно к земле. На самом деле кажется, что область «отражает» сигнал. Склонность к этому «отражению» зависит от частоты и угла падения. По мере увеличения частоты обнаружено, что степень преломления уменьшается до тех пор, пока не будет достигнута частота, при которой сигналы проходят через область и переходят к следующей. В конце концов достигается точка, в которой сигнал проходит через слой E на следующий слой над ним.
Как и в области D, уровень ионизации относительно быстро падает после наступления темноты из-за рекомбинации электронов и ионов и практически исчезает ночью. Однако остаточная ночная ионизация в нижней части Е-диапазона вызывает некоторое ослабление сигналов в нижних частях ВЧ-части спектра радиосвязи. Ионизация в этой области является результатом ряда видов излучения. Мягкие рентгеновские лучи производят большую часть ионизации, хотя свой вклад также вносят экстремальные ультрафиолетовые (EUV) лучи (ультрафиолетовый свет с очень короткой длиной волны). Обычно излучение, вызывающее ионизацию в этой области, имеет длину волны от 10 до 100 ангстрем. Степень вклада всех составляющих зависит от состояния Солнца и широты, на которой проводятся наблюдения.
F-регион
Наиболее важной областью ионосферы для дальней КВ-радиосвязи является F-область. В дневное время, когда излучение поступает от Солнца, оно часто распадается на две части: нижнюю — область F1 и верхнюю — область F2. Из них область F1 является скорее точкой перегиба на кривой электронной плотности (показана выше), и обычно она существует только летом. Обычно слой F1 находится на высоте около 300 километров, а слой F2 над ним на высоте около 400 километров. Затем объединенный слой F может быть сосредоточен на расстоянии от 250 до 300 километров. Высота всех слоев в слоях ионосферы значительно различается, и слой F изменяется больше всего. В результате приведенные цифры следует принимать только в качестве приблизительного ориентира. Будучи самой высокой из ионосферных областей, на нее сильно влияет состояние Солнца, а также другие факторы, включая время суток, год и так далее. Уровень F действует как «отражатель» сигналов в ВЧ-части радиоспектра, позволяя устанавливать радиосвязь по всему миру. Это основная область, связанная с распространением ВЧ-сигнала.
Воздействие слоя F на радиосигналы такое же, как и для слоя E, хотя при меньшей плотности воздуха меньше столкновений и меньше потерь энергии. В результате сигналы, отражаемые F-слоем и, в частности, F2-слоем позже, подвержены низким уровням затухания. В результате даже сигналы малой мощности можно услышать на большом расстоянии. Как и в слоях D и E, уровень ионизации области F меняется в течение дня и падает ночью, когда исчезает солнечное излучение. Однако уровень ионизации остается значительно выше. Плотность газов значительно ниже, и в результате рекомбинация ионов и электронов происходит медленнее, примерно в четверть скорости, по сравнению с Е-областью. В результате этого он по-прежнему влияет на ночные радиосигналы, поскольку многие из них могут возвращаться на Землю, хотя в некоторых аспектах он оказывает меньшее влияние.
Область F находится в самой высокой области ионосферы и поэтому подвергается наибольшему солнечному излучению. Большая часть ионизации происходит из-за ультрафиолетового света в середине спектра, а также в тех частях спектра с очень короткими длинами волн. Обычно излучение, вызывающее ионизацию, находится в диапазоне длин волн от 100 до 1000 ангстрем, хотя крайний ультрафиолетовый свет отвечает за некоторую ионизацию в нижних областях F-области.
Ионосферные вариации
Уже было замечено, что время суток вызывает весьма существенные изменения в состоянии ионосферы по мере снижения уровня ионизации ночью. Однако есть много других факторов, которые также влияют на ионосферу. Главным из них является само Солнце, но другие факторы включают время года и положение на земном шаре.
- Сезонные изменения: точно так же, как количество тепла, которое получают места на Земле, меняется в зависимости от времени года, так же меняется и количество радиации, получаемой ионосферой. Это происходит из-за того, что летом полученное излучение распространяется на меньшую площадь, так как поверхность Земли ближе к расположению под прямым углом к направлению излучения. Зимой поверхность Земли находится под большим углом, и излучение должно распространяться на большую площадь. В результате зимой ионосфера получает меньше радиации, чем летом.Области D и E реагируют, как и ожидалось, более низким уровнем ионизации зимой, чем летом, и область F 1 также следует аналогичной схеме. Однако для области F 2 существуют другие влияющие факторы, и она реагирует по-другому.Для области F 2 тепловое воздействие Солнца играет решающую роль в том, как оно реагирует. Температура зимой намного ниже, чем летом, потому что солнечное тепло распространяется на большую площадь, потому что солнце находится ниже в небе. Летом температура газа повышается в области F2, поэтому активность в воздухе возрастает, и большее количество молекул поднимается выше в атмосферу. Зимой, когда температура падает, более тяжелые молекулы падают, оставляя более легкие атомы подниматься наверх.Это означает, что зимой более высокая доля атомов находится на большей высоте области F2. Атомы легче ионизировать, чем молекулы газа, поэтому число подходящих мишеней для ионизации излучения также возрастает. В результате уровень дневной ионизации зимой фактически выше, чем летом. Общий эффект заключается в том, что пиковые дневные уровни ионизации зимой повышаются выше, чем летом, но падают до более низкого уровня, поскольку солнечное излучение присутствует в течение меньшей части времени.
- Географические вариации: на уровни ионизации также влияет положение на земном шаре. Существуют естественные различия, возникающие из-за широты, где полярные регионы получают меньше радиации, а экваториальные регионы имеют гораздо более высокие уровни радиации. В целом это приводит к более высоким уровням ионизации для областей D, E и F 1 в экваториальных областях, чем в направлении полюсов.Область F 2 имеет ряд других факторов, влияющих на ее уровень ионизации, включая магнитное поле Земли, и она также получает ионизацию из других источников. В результате было обнаружено, что уровни ионизации выше в Азии и Австралии, чем в западном полушарии, включая Африку, Европу и Северную Америку.
Резюме
Ионосфера представляет собой постоянно меняющуюся область атмосферы. Он простирается от высоты около 60 километров до более чем 400 километров и содержит ионы и свободные электроны. Свободные электроны влияют на пути распространения радиоволн в этой области и оказывают значительное влияние на ВЧ-радиосвязь. Ионосферу можно разделить на несколько областей, соответствующих пикам электронной плотности. Эти области называются областями D, E и F. Ввиду того факта, что излучение Солнца поглощается при проникновении в атмосферу, различные формы излучения вызывают ионизацию в различных регионах, как указано в сводной таблице ниже:
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ ФОРМ ИЗЛУЧЕНИЯ, ВЫЗЫВАЮЩИХ ИОНИЗАЦИЮ В СЛОЯХ ИЛИ РЕГИОНАХ ИОНОСФЕРЫ
| Область, край | ПЕРВИЧНЫЕ ФОРМЫ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ |
|---|---|
| С | Космический |
| Д | Лайман альфа, Жесткие рентгеновские лучи |
| Е | Мягкое рентгеновское излучение и немного экстремального ультрафиолета |
| F1 | Экстремальный ультрафиолет и немного ультрафиолета |
| F2 | Ультрафиолетовый |
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.