Внимание: тропосферное прохождение
В середине января прошлого года на значительной территории юго-запада нашей страны наблюдалось необыкновенно сильное и стабильное тропосферное прохождение на УКВ диапазонах. Ультракоротковолновики, которые давно работают в эфире, утверждают, что подобного прохождения не было уже лет двадцать. Радиолюбители Липецка, Воронежа, Ростова-на-Дону, Краснодара, многих городов Украины и Молдавии в эти дни проводили интересные связи не только между собой, но и с корреспондентами из Болгарии, Румынии, Венгрии.
Для того, чтобы разобраться в физическом механизме наблюдавшегося прохождения, напомним, что температура, атмосферное давление и влажность воздуха являются основными метеорологическими параметрами тропосферы, и их изменение играет существенную роль в процессе возникновения тропосферного распространения радиоволн.
Тропосфера простирается над поверхностью Земли до высоты 10—12 км. Отличительным свойством тропосферы является уменьшение температуры, давления и влажности с высотой. Нормальной или «стандартной» считается тропосфера, имеющая у поверхности Земли давление P= 1013 мбар, температуру — t=15°C, относительную влажность — S = 60%. С увеличением высоты на каждые 100 м давление уменьшается на 12 мбар, а температура — на 0,55°С. Относительная влажность сохраняет свое значение на всех высотах.
Коэффициент преломления тропосферы у поверхности Земли всего на три десятитысячных доли превышает единицу, поэтому удобнее на практике пользоваться индексом преломления, величина которого у земной поверхности равна N=325, а вертикальный градиент индекса преломления dN/dh=—4,3*10-2 м-1 Вертикальный градиент коэффициента преломления характеризует изменение коэффициента преломления с высотой. Так как температура, давление и влажность воздуха с удалением от земной поверхности убывают, то и коэффициент преломления тоже уменьшается с высотой, стремясь вследствие постепенного разрежения воздуха к единице.
Если уменьшение коэффициента преломления происходит линейно, то градиент коэффициента преломления dN/dh является величиной отрицательной и постоянной для всех слоев воздуха. В этом случае скорость распространения радиоволн равномерно " возрастает с удалением от земной поверхности. Благодаря этому траектории радиоволн искривляются в сторону Земли (выпуклостью вверх). Такое явление носит название положительной рефракции.
Положительная рефракция, в свою очередь, может быть разделена на пониженную, нормальную, повышенную, критическую и сверхрефракцию (см. рис. 3—5). В таблице приведены значения градиента коэффициента преломления для различных видов тропосферной рефракции.
|
Наименование тропосферной рефракции |
dN/dh, м-1 |
N рис. |
|
Отрицательная |
>0 |
Рис. 1 |
|
Отсутствие рефракцни |
0 |
Рис. 2 |
|
Положительная: |
0— —0,04 |
|
|
нормальная |
— 0,04 |
Рис. 3 |
|
повышенная |
_0,04- —0,157 |
|
|
критическая |
— 0, 1 57 |
Рис. 4 |
|
сверхрефракция |
< —0,157 |
Рис. 5 |
С точки зрения дальнего и сверхдальнего распространения УКВ радиоволн, наибольший интерес представляют критическая и сверхрефракция.
Когда вертикальный градиент коэффициента преломления достигает величины dN/dh=—0,157 м-1, возникает критическая рефракция, при которой пологие лучи радиоволн распространяются на неизменной высоте над поверхностью Земли, то есть полностью ее огибают (см. рис. 4).
При сверхрефракцин, когда dN/dh< —0,157 м-1, радиус кривизны радиоволн меньше радиуса земного шара, поэтому они испытывают в тропосфере полное внутреннее отражение и затем возвращаются на поверхность Земли. Многократно отражаясь, радиоволны распространяются на большие расстояния (см. рис. 5). Картина распространения радиоволн в условиях сверхрефракцин весьма напоминает процессы распространения в диэлектрических или металлических волноводах. Нижнюю стенку такого волновода образует полупроводящая поверхность Земли, а верхнюю — верхняя граница области сверхрефракции. Различие заключается в том, что в диэлектрическом волноводе отдельные лучи претерпевают полное внутреннее отражение и от нижней, и от верхней стенок, при сверхрефракции же волны испытывают обычное отражение от полупроводящей поверхности Земли и полное внутреннее отражение внутри области, охваченной сверх-рефракцией, притом на различной высоте для лучей с различными углами возвышения.
Эта аналогия послужила причиной того, что область сверхрефракции в тропосфере часто называют тропосферным волноводом, а распространение в условиях сверхрефракции — волноводным. Волноводы могут появляться в приземном н более высоких слоях воздуха. При этом они могут обнаруживаться как по всей трассе, так и на отдельных ее участках (частичные волноводы). Над сушей волноводы чаще всего наблюдаются в районах с ровной подстилающей поверхностью, например, в пустынных и степных районах. Однако волноводы чаще образуются в районах, прилегающих к морям.
Тропосферный волновод может образоваться только в том случае, если толщина «стенки» волновода (слоя с dN/dh< —0,157 м-1) будет больше некоторой критической величины, которая, в свою очередь, разная для различных частот. Так, для диапазона 144 МГц толщина слоя должна быть не менее 180 м, а для диапазона 430 МГц — не менее 90 м.
Метеорологические наблюдения показывают, что «стенки» тропосферных волноводов бывают толщиной от нескольких метров до нескольких десятков метров и редко превышают 200 м.
Какие же метеорологические условия благоприятствуют возникновению критической и сверхрефракции? Температурная инверсия и необычное быстрое уменьшение влажности с высотой. Температурной инверсией называется явление, когда температура воздуха не уменьшается с высотой, как обычно, а начинает возрастать. Возникновению температурной инверсии способствуют три причины: адвекция, радиационное охлаждение поверхности Земли и сжатие воздушных масс.
Адвекционные инверсии возникают при горизонтальном переносе теплых воздушных масс, когда они оказываются над более холодным слоем воздуха (приподнятая инверсия). Такие инверсии наблюдаются ранней весной, когда над поверхностью Земли, покрытой еще снежным покровом, проносятся массы теплого воздуха. Другим примером может служить перенос теплого воздуха с суши на более холодную поверхность моря или крупных водоемов. Вследствие различия удельных теплоемкостей суша нагревается быстрее, чем море. Если нагретый над сушей сухой воздух под действием ветра проносится над водной поверхностью, то прилегающий слой очень быстро охлаждается. Если к тому же на поверхности моря имеются волны, то, срывая с их гребней капли воды, нижний слой воздуха сильно увлажняется, таким образом создаются условия резкого уменьшения влажности с высотой.
Резкое повышение влажности в приземных слоях атмосферы можно наблюдать над сушей в утренние часы, когда под влиянием солнечного нагрева начинается испарение влаги с земной поверхности. При радиационном охлаждении поверхности Земли в ночное время за счет теплоиспускания в первую очередь охлаждаются слои воздуха, непосредственно прилегающие к почве, что и является причиной формирования приземной температурной инверсии. При сжатии воздушных масс приподнятая температурная инверсия возникает вследствие выделения тепла в процессе сжатия.
Используя данные аэрологических станций о состоянии тропосферы, можно оценить величину и знак вертикального градиента индекса преломления, то есть возможность тропосферного распространения. Индекс преломления рассчитывается по формуле
N = 77,6(P + 4810е/T)/T,
где Т — абсолютная температура, измеряемая в градусах Кельвина (T = t°C + 273); P — давление в мбар; е — абсолютная влажность в мбар. Подставив в эту формулу величины Р. Т и е, соответствующие двум высотам А, и h2, найдем индексы преломления для этих высот N1 и N2. Тогда вертикальный градиент индекса оценивается по формуле
dN/dh={N2-N1)/(h2-h1).
Проиллюстрируем это на конкретных примерах.
По данным зондирования тропосферы Киевской аэрологической станции 19 января 1975 г. в 14.30 MSK на высоте h1=1070 м P=905 мбар, T=273 К, е=5 мбар; на высоте h2=1200 м P=883 мбар, T=283,4 К, е=4,3 мбар. Подставив значения Р, Т, и е в формулу для индекса преломления, получим N1=282, N2=262. Вертикальный градиент индекса преломления dN/dh=—0,153 м-1, то есть в данном случае мы имеем почти критическую рефракцию.
Второй пример. Данные зондирования тропосферы 20 января 1975 г. в 14.30 MSK, на высоте h1=730 м P=941 мбар, T=268 К, е=5,4 мбар, на высоте h2=900 м P=900 мбар, T=278 К, е=2,7 мбар. Найдем для них N1=300; N2=269, тогда dN/dn=—0,183 м-1. Здесь имеет место сверхрефракция.
А теперь рассмотрим метеорологические условия, предшествовавшие мощному тропосферному прохождению в начале января. Тогда практически вся территория Украины была без снежного покрова, моросили дожди, температура воздуха держалась около нуля. В первой пятидневке подул сильный западный ветер, достигавший 10—15 м/с; к 8—10 января он достиг ураганной скорости — 30 м/с. С Атлантики перемещались теплые массы воздуха, которые вскоре достигли Кавказского хребта. Нижние приземные слои воздуха, встречая на своем пути заснеженные вершины Альп, Пиренеев и Карпат, значительно охладились, что в свою очередь привело к радиационному охлаждению больших площадей земной поверхности юго-западной территории нашей страны. Небо заволокло сплошными облаками. Лучи Солнца больше не проникали к Земле.
К 12 января ветер, как бы израсходовав всю свою энергию, утих, скорость его не превышала 3—4 м/с. Последующие дни были почти безветренные. Температура у земной поверхности установилась около нуля, атмосферное давление — примерно 750 мм рт. ст., относительная влажность — 87—90%. А верхние слои атмосферы оставались значительно теплее, то есть имела место температурная инверсия.
Во время январского прохождения мы провели некоторые интересные измерения. Было обнаружено, что мощность передатчика при критической и сверхрефракции практически мало влияет на силу сигнала в месте приема. Антенны с высоким коэффициентом усиления, например, 16-элементные, работали хуже, чем антенны с круговой диаграммой направленности. Лучше работали те антенны, у которых диаграмма главного лепестка прижата к земной поверхности (многоэтажные антенны).
Анализируя большой статистический материал зондирования тропосферы в различных районах Украины на протяжении длительного времени, мы пришли к заключению, что на побережье Черного и Азовского морей явление рефракции (повышенной и критической) наблюдается чаще, чем в остальных районах республики. Рефракция наблюдается чаще в утренние и вечерние часы (восход и заход Солнца), а также после сильных ветров, когда в течение двух—трех дней устанавливается штилевая погода, в период, когда циклоны сменяются антициклонами, а также при повышении атмосферного давления.
В связи с тем, что не во всех городах имеются аэрологические станции, где можно получить результаты зондирования тропосферы, для большинства радиолюбителей прогнозирование тропосферного распространения по результатам зондирования тропосферы невозможно. Однако при наличии радиомаяков (станций, постоянно работающих в эфире) не составило бы труда определить наличие прохождения на данной (в направлении маяка) трассе. На наш взгляд, необходимо в ближайшее время построить ряд таких радиомаяков, расположив их на расстоянии друг от друга примерно 400—500 км. По их работе радиолюбители легко могли бы определять обстановку в эфире. Для этого достаточно направить свою антенну на маяк и прослушать его сигнал. Отсутствие таких маяков приводит к тому, что очень часто многие ультракоротковолновики пропускают интересные прохождения на УКВ. Так получилось и в январе — ультракоротковолновики начали активно работать на диапазоне 144 МГц только через 4 дня после начала прохождения.
Тропосферное распространение ультракоротких радиоволн является не единственным механизмом распространения. И тем не менее оно представляет большой практический интерес, особенно для высокочастотных участков диапазона, в частности, для 430 и 1215 МГц, для которых пока неизвестны другие механизмы дальнего распространения. Поэтому весьма полезны были бы массовые эксперименты радиолюбителей. Они позволили бы более полно изучить этот вид распространения радиоволн.