Обзор основ солнечных вспышек и других возмущений, включая КВМ, и того, как они влияют на условия распространения ВЧ-радиосигналов в ионосфере для двусторонней радиосвязи, морской подвижной радиосвязи, двухточечной радиосвязи и радиовещания.
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. Состояние Солнца оказывает большое влияние на ионосферное распространение радиоволн. Соответственно, это влияет на различные формы ВЧ-радиосвязи, включая двустороннюю радиосвязь, морскую подвижную радиосвязь, общую подвижную радиосвязь с использованием ВЧ-диапазонов, двухточечную радиосвязь, радиовещание и любительскую радиосвязь.
Поскольку Солнце обеспечивает излучение, которое определяет состояние ионосферы и, следовательно, распространение ВЧ-радиосигналов, любые вспышки или другие возмущения имеют большое значение. При некоторых обстоятельствах они могут улучшить радиосвязь и улучшить условия распространения ВЧ-радиосигналов. При других обстоятельствах они могут нарушать радиосвязь на КВ-диапазонах, в то же время обеспечивая некоторые условия распространения радиоволн, которые радиолюбители могут использовать на УКВ. Cуществует ряд типов помех, представляющих особый интерес для радиосвязи. Вспышки — одни из самых очевидных. Однако, помимо солнечных вспышек, происходят и другие возмущения. Одним из них является выброс корональной массы, и есть также корональные дыры.
Солнечные вспышки
Солнечные вспышки — это огромные взрывы, происходящие на поверхности Солнца. Они приводят к выбросу колоссальных единиц энергии. В дополнение к этому более крупные солнечные вспышки также выбрасывают большое количество материала, в основном в виде протонов. Вспышки вспыхивают всего через несколько минут, по-видимому, без предупреждения. Когда они происходят, вещество нагревается до миллионов градусов по Цельсию и покидает поверхность Солнца в виде огромной арки, возвращаясь через некоторое время. Вспышки обычно происходят вблизи солнечных пятен, часто вдоль разделительной линии между ними, где действуют противоположно направленные магнитные силы.
Именно магнитные поля, по-видимому, ответственны за солнечные вспышки. Когда магнитное поле между солнечными пятнами искривляется и сдвигается, силовые линии магнитного поля могут пересекаться и снова соединяться с огромной взрывной энергией. Когда это происходит, через солнечную поверхность происходит извержение газов, которое простирается на несколько десятков тысяч миль от поверхности Солнца и следует магнитным силовым линиям, образуя солнечную вспышку. Газы изнутри солнца начинают подниматься, и область нагревается еще больше, что приводит к увеличению уровня видимого излучения и других форм излучения.
Изображение предоставлено НАСА
На первых этапах солнечной вспышки выбрасываются высокоскоростные протоны. Они путешествуют со скоростью примерно в треть скорости света. Затем, примерно через пять минут после начала солнечной вспышки, следуют частицы с меньшей энергией. Этот материал следует дуге магнитных силовых линий и возвращается к Солнцу, хотя часть материала выбрасывается в космическое пространство, особенно во время более крупных вспышек.
Воздействие солнечных вспышек: Для большинства солнечных вспышек основным эффектом, ощущаемым на Земле, является повышение уровня солнечной радиации. Это излучение охватывает весь электромагнитный спектр, и такие элементы, как ультрафиолетовое, рентгеновское и т.п., влияют на уровни ионизации в ионосфере и, следовательно, влияют на радиосвязь через ионосферу. Часто наблюдается усиление распространения ВЧ в ионосфере, поскольку более высокие слои ионосферы имеют повышенный уровень ионизации. Однако, если уровни ионизации на нижних уровнях начинают расти, это может привести к более высоким уровням затухания сигналов радиосвязи и могут возникнуть плохие условия. Кроме того, можно легко обнаружить увеличение уровня фонового шума на УКВ. Вспышки обычно длятся около часа, после чего поверхность Солнца возвращается к нормальному состоянию, хотя некоторые петли после вспышек остаются еще некоторое время после этого. Вспышки влияют на распространение радиоволн и радиосвязь на Земле, и их последствия могут быть заметны некоторое время спустя.
Классификация солнечных вспышек: Вспышки классифицируются по их интенсивности на длинах волн рентгеновского излучения, т.е. длинах волн от 1 до 8 Ангстрем. Интенсивность рентгеновского излучения Солнца постоянно контролируется Национальным управлением океанических и атмосферных исследований (NOAA) с использованием детекторов на некоторых из его спутников. Используя эти данные, можно классифицировать вспышки. Самые большие вспышки называются вспышками X-класса. Вспышки М-класса меньше, их интенсивность рентгеновского излучения в десять раз меньше, чем у вспышек X-класса. Тогда вспышки С-класса имеют в десять раз меньшую интенсивность, чем вспышки М-класса. Обнаружено, что появление этих вспышек хорошо коррелирует с циклом солнечных пятен, их количество увеличивается к пику цикла солнечных пятен.
CME
Корональные выбросы массы, CME, являются еще одной формой помех, которые могут повлиять на радиосвязь. Хотя во многих отношениях КВМ намного превосходят вспышки, они не были обнаружены до тех пор, пока космический корабль не смог наблюдать за Солнцем из космоса. Причина этого в том, что корональные выбросы массы, CME, можно наблюдать, только глядя на корону Солнца, а до космической эры это можно было сделать только во время затмения. Поскольку затмения случаются очень редко и длятся всего несколько минут. С помощью космического корабля корону можно было увидеть при просмотре через коронограф, специализированный телескоп с так называемым затемняющим диском, позволяющим вырезать основную область Солнца и видеть только корону. Это позволило увидеть корону.
Хотя доступны наземные коронографы, они могут видеть только очень яркую внутреннюю область короны. Космические аппараты могут гораздо лучше видеть корону, простирающуюся на очень большие расстояния от Солнца, и, таким образом, видеть гораздо больше активности в этом регионе и, следовательно, наблюдать КВМ. Корональные выбросы массы, CME — это огромные пузыри газа, пронизанные силовыми линиями магнитного поля, и эти пузыри выбрасываются в течение нескольких часов. В течение многих лет считалось, что солнечные вспышки были ответственны за выброс массы частиц, которые вызвали возмущения полярного сияния, наблюдаемые на Земле. Теперь понятно, что CME являются основной причиной. Теперь понятно, что КВМ нарушают устойчивый поток солнечного ветра, вызывая значительное увеличение потока. Это может привести к большим возмущениям, которые могут ударить по Земле, если они покинут Солнце в направлении Земли.
Корональные выбросы массы, CME часто связаны с извержениями солнечных вспышек, но они также могут возникать сами по себе. Подобно солнечным вспышкам, их частота варьируется в зависимости от положения в цикле солнечных пятен, достигая пика вокруг максимума солнечных пятен и падая вокруг минимума. В солнечный минимум их может быть около одного в неделю, в то время как на пике можно наблюдать два или три каждый день. К счастью, не все они влияют на Землю. Материал выбрасывается Солнцем в одном общем направлении, и только если он находится на пересекающейся траектории, он повлияет на Землю. КВМ могут вызывать ионосферные бури. Они могут обеспечить кратковременное улучшение условий распространения радиоволн в ионосфере, но вскоре это может привести к отключению радиосвязи через ионосферу.
Корональные отверстия
Корональные дыры — еще одна важная особенность солнечной активности. Это области, где корона кажется темной. Впервые они были обнаружены после того, как в космос впервые были запущены рентгеновские телескопы, и, находясь над земной атмосферой, они смогли изучить структуру короны поперек солнечного диска. Корональные дыры связаны с «открытыми» линиями магнитного поля и часто, хотя и не исключительно, обнаруживаются на полюсах Солнца. Известно, что от них исходит высокоскоростной солнечный ветер, который оказывает влияние на условия распространения радиоволн в ионосфере и, следовательно, на всю ВЧ-радиосвязь.
Резюме
Солнечные возмущения ответственны за многие крупные изменения в ионосфере. Эффекты как КВМ, так и солнечных вспышек могут вызвать серьезные изменения в ионосферном распространении радиоволн, часто нарушая их на часы, а иногда и дни. В результате знание того, когда они происходят, и их размер могут помочь в прогнозировании того, какими могут быть ионосферные радиоусловия.