Распространение радиоволн в высоких широтах. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Распространение радиоволн в высоких широтах - ионосферная радиосвязь в диапазоне радиоволн 3-30 МГц, к-рую отличают отсутствие стабильности и низкое качество, что обусловлено спецификой среды распространения - сложной неоднородной структурой полярной ионосферы, формируемой процессами взаимодействия ионосферы, магнитосферы Земли и возмущений плазмы в межпланетном пространстве (см. также Солнечный ветер ).На низких широтах силовые линии магн. поля проходят горизонтально над магн. экватором, оставаясь глубоко внутри магнитосферы. В высоких широтах силовые линии близки к вертикальным и уходят далеко от Земли в область внеш. магнитосферы или межпланетного пространства. Т. к. заряж. частицы могут легко двигаться вдоль силовых линий, а поперёк с трудом, то ионосфера низких и средних широт защищена от возмущений в солнечном ветре, в то время как полярная ионосфера реагирует на них. Т. о., в полярной ионосфере присутствуют два агента ионизации: первый, как и на ср. широтах,- УФ-излучение Солнца и второй - корпускулярные потоки. При этом второй агент часто оказывается преобладающим, напр. в условиях затенённой ионосферы и в период геомагн. возмущений (суббурь).

Структурные зоны высокоширотной атмосферы, отличающиеся особенностями Р. р.:

1. Авроральный овал (АО) - область по-выш. активности полярных сияний, аномально повышенной ионизации как в слоях E и F, так и на больших высотах (вплоть до 1000 км); расположен асимметрично относительно геомагн. полюса и фиксирован относительно Солнца. В ночные часы он попадает на геомагн. широты 60-70°, в дневные - на широты 70-80° (рис.).

Среднее положение аврорального овала (штриховая линия), минимума электронной концентрации главного ионосферного провала (точки) и зоны аврорального поглощения (штрих-пунктир).

2. Главный ионосферный провал (ГИП) - область пониженной ионизации, граничащая с полярной стороны с АО. В ночные часы ГИП наблюдается на геомагн. широтах 50-60°, в дневные часы примерно на 72-75°; наиб. выражен в ночные и утренние часы и практически отсутствует в полуденные часы.

3. Высокоширотная полость - область пониженной ионизации к полюсу от АО, как в слое F, так и выше. Направленные вверх потоки лёгких ионов (O⁺, Н⁺), т. н. полярный ветер, приводят к истощению ионосферы в этой области.

4. Зона аврорального поглощения - область повышенной ионизации в слое D и ниж. части слоя Е, к-рая образуется вследствие вторжения в ионосферу потоков энергичных электронов (с энергией > 40 кэВ). Это кольцевая область в интервале геомагн. широт 60-74°, разомкнутая на вечерней стороне Земли (18-20 ч местного времени).

Аномально высокая ионизация в слое F в зоне АО или, наоборот, пониженная ионизация в области ГИП приводят к вариации верх. предела диапазона частот - максимальной наблюдаемой частоты. С др. стороны, аномальное поглощение в ниж. ионосфере ведёт к сужению диапазона частот за счёт роста его ниж. предела - наименьшей наблюдаемой частоты.

Аномально повышенное поглощение ВЧ-радиоволн в полярной ионосфере является одной из гл. причин нарушения связи и возникает в результате увеличения концентрации заряж. частиц в слое D. Различают 4 типа аномального поглощения, каждый из к-рых соответствует определ. фазе в ходе развития ионосферного возмущения, следующего за вспышкой на Солнце: внезапное поглощение (ВП), наблюдаемое на всей освещённой полусфере Земли, обусловленной эмиссией излучения во время солнечных вспышек; поглощение полярной шапки (ППШ), к-рое наблюдается в приполюсной области на широтах, превышающих F ! 60°; поглощение с внезапным началом (ПВН), возникающее в период внезапного начала магн. бури в зоне полярных сияний. Обусловлено вспышками тормозного рентг. излучения электронов, высыпающихся в ионосферу АО в результате резкого сжатия земной магнитосферы под воздействием ударного фронта потока солнечной плазмы; по интенсивности и продолжительности соответствует эффекту ВП; авроральное поглощение (АП).

Поглощения типа ВП и ПВН появляются сравнительно редко, имеют малую продолжительность (неск. десятков минут) и поэтому не играют существ. роли в радиосвязи.

ППШ появляется после хромосферных вспышек на Солнце, сопровождаемых потоками солнечных космических лучей, в осн. протонов. На нач. фазе явления иногда регистрируются потоки солнечных электронов. Ослабление радиосигналов может достигать 100 дБ. Интенсивное поглощение ВЧ-радиоволн начинается спустя неск. часов после вспышки на Солнце - вначале вблизи геомагн. полюса, затем постепенно охватывает всю полярную область на широтах

. В зависимости от степени освещённости Солнцем полярных областей Земли поглощение радиоволн в ионосфере затухает в течение 2-3 сут до исходного фонового значения. Продолжительность ППШ может достигать 10 сут и более. Явление ППШ максимально днём и минимально ночью, различия при этом составляют 4-6 раз. В сезонном распределении явлений ППШ нет чёткой закономерности, однако можно отметить наим. вероятность появления ППШ в декабре. Наиб. число случаев ППШ наблюдается в годы высокой солнечной активности (порядка 15-20 интенсивных событий), в годы низкой солнечной активности ППШ практически не наблюдается.

АП - наиболее часто встречающийся тип поглощения в высоких широтах, доставляющий наиб. трудности в поддержании устойчивой связи. Вероятность появления АП может достигать 40% . Появление АП в ночное время тесно связано с полярными сияниями и локальными магн. возмущениями. Продолжительность индивидуальных случаев АП обычно не превышает 2 ч, однако чаще всего АП наблюдается в виде серии событий, накладывающихся одно на другое. Источником увеличения ионизации в D-области, ответственной за явление АП, являются потоки энергичных электронов с энергией

40 кэВ из магнитосферы, вторгающиеся в полярную ионосферу на уровень области D и ниж. части области E (высоты 60-90 км). Максимум АП как по частоте появления, так и величине приходится на широты F ! 64-67°. Характерной особенностью АП является существование чёткой суточной вариации с двумя максимумами (дневным и ночным) и вечерним минимумом (18-20 ч местного времени). В сезонном ходе выделяются два равноденственных максимума, весной и осенью, из к-рых наибольший - весенний. Особенности пространственно-временного распределения АП определяются уровнем магн. активности. С ростом магн. активности центр зоны АП смещается к югу на F ! 63-65°, зона расширяется почти вдвое и дневной максимум с 10-12 ч местного времени смещается на более ранние часы (6-8 ч). По характеру влияние АП на условия распространения ВЧ-радиоволн все трассы можно разбить на три группы.

1. Трассы, целиком проходящие внутри полярной шапки и не пересекающие зоны АП. На таких трассах АП практически отсутствует и надёжность связи может быть близка 100%, если исключить события ППШ.

2. Трассы, у к-рых хотя бы один из конечных пунктов расположен в зоне АП. На таких трассах наблюдаются наиб. нарушения прохождения радиоволн. Хорошие условия связи, когда прохождение достигает 80- 90%, возможны лишь сравнительно ограниченное время. Ослабление ВЧ-сигналов может достигать 30-60 дБ в зависимости от частоты излучения.

3. Трассы, пересекающие зону АП, когда передающий и приёмные пункты расположены относительно далеко от зоны. В этом случае условия радиосвязи более благоприятные, чем во втором случае: на оптим. частотах прохождение радиоволн составляет 90%. Большую роль при этом играют спорадич. слои E_s, наблюдающиеся в области АО на высотах E-области ~110 км и связанные с высыпанием электронов с энергией 1-10 кэВ. Их можно разбить на две группы: E_sс групповым запаздыванием и плоские E_s. Вероятность появления E_s в зоне АО достигает 80-90% , а концентрация электронов в максимуме слоя сравнима с электронной концентрацией в слое F₂. Такая ситуация способствует образованию волноводных каналов между слоями E_s и F. Попадая в такой канал, радиоволна как бы перескакивает зону АП, испытывая существенно меньшее поглощение (см. Полноводное распространение радиоволн).

На Р. р. большое влияние оказывают область АО, как наиб. нерегулярная с широким спектром мелкомасштабных неоднородностей от сотен м до десятков км, к-рые могут быть результатом как прямого высыпания энергичных частиц, так и следствием плазменных неустойчивостей, связанных с электрич. полями магни-тосферного происхождения, а также область ГИП с большими горизонтальными градиентами электронной концентрации. Эффект горизонтальных градиентов ГИП и в ряде случаев и рассеяние на неоднородностях АО состоит в появлении нестандартного ВЧ-распростра-нения с отклонением траектории радиоволны от плоскости дуги большого круга. Эти т. н. азимутальные отклонения траекторий достигают 10-30° и более. У сигналов с азимутальными отклонениями время распространения значительно больше (до 50-100%), чем у нормальных сигналов, распространяющихся в плоскости дуги большого круга, а их максимальная наблюдаемая частота обычно выше в 1,5

7,5 раза. Сигналы с азимутальными отклонениями наиб. часты зимой и в равноденствие. Их появление, как правило, ухудшает радиосвязь, особенно в случае применения остронаправленных антенн, а также за счёт замираний (фединга) сигналов вследствие появления многолучёвости.

Литература по распространению радиоволн в высоких широтах

Знаете ли Вы, в чем ложность понятия "физический вакуум"?

Физический вакуум - понятие релятивистской квантовой физики, под ним там понимают низшее (основное) энергетическое состояние квантованного поля, обладающее нулевыми импульсом, моментом импульса и другими квантовыми числами. Физическим вакуумом релятивистские теоретики называют полностью лишённое вещества пространство, заполненное неизмеряемым, а значит, лишь воображаемым полем. Такое состояние по мнению релятивистов не является абсолютной пустотой, но пространством, заполненным некими фантомными (виртуальными) частицами. Релятивистская квантовая теория поля утверждает, что, в согласии с принципом неопределённости Гейзенберга, в физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные, то есть кажущиеся (кому кажущиеся?), частицы: происходят так называемые нулевые колебания полей. Виртуальные частицы физического вакуума, а следовательно, он сам, по определению не имеют системы отсчета, так как в противном случае нарушался бы принцип относительности Эйнштейна, на котором основывается теория относительности (то есть стала бы возможной абсолютная система измерения с отсчетом от частиц физического вакуума, что в свою очередь однозначно опровергло бы принцип относительности, на котором постороена СТО). Таким образом, физический вакуум и его частицы не есть элементы физического мира, но лишь элементы теории относительности, которые существуют не в реальном мире, но лишь в релятивистских формулах, нарушая при этом принцип причинности (возникают и исчезают беспричинно), принцип объективности (виртуальные частицы можно считать в зависимсоти от желания теоретика либо существующими, либо не существующими), принцип фактической измеримости (не наблюдаемы, не имеют своей ИСО).

Когда тот или иной физик использует понятие "физический вакуум", он либо не понимает абсурдности этого термина, либо лукавит, являясь скрытым или явным приверженцем релятивистской идеологии.

Понять абсурдность этого понятия легче всего обратившись к истокам его возникновения. Рождено оно было Полем Дираком в 1930-х, когда стало ясно, что отрицание эфира в чистом виде, как это делал великий математик, но посредственный физик Анри Пуанкаре, уже нельзя. Слишком много фактов противоречит этому.

Для защиты релятивизма Поль Дирак ввел афизическое и алогичное понятие отрицательной энергии, а затем и существование "моря" двух компенсирующих друг друга энергий в вакууме - положительной и отрицательной, а также "моря" компенсирующих друг друга частиц - виртуальных (то есть кажущихся) электронов и позитронов в вакууме.

Однако такая постановка является внутренне противоречивой (виртуальные частицы ненаблюдаемы и их по произволу можно считать в одном случае отсутствующими, а в другом - присутствующими) и противоречащей релятивизму (то есть отрицанию эфира, так как при наличии таких частиц в вакууме релятивизм уже просто невозможен). Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.