Текст книги "Посвящение в радиоэлектронику"

Автор книги: Владимир Поляков

сообщить о нарушении

Текущая страница: 7 (всего у книги 26 страниц)

Как бы ни поворачивали интерферометр, в какое бы время суток или года ни проводили измерения, никакого смещения интерференционных полос обнаружено не было. Значит… значит, нет и «мирового эфира», а скорость света не зависит от движения самой установки.

В 1932 году для точного измерения скорости света в вакууме Майкельсон произвел еще один уникальный опыт. Свет заставили распространяться в трубе длиной 1,6 км, из которой откачали воздух. Измерения проводили с помощью вращающейся призмы, осуществлявшей механическую модуляцию светового потока. Точность измерения скорости света в опытах Майкельсона достигла 1 км/с. Великие экспериментаторы уходят, но проблемы остаются. Совсем недавно, в 60-х годах нашего столетия на Луну с помощью ракеты был доставлен зеркальный лазерный отражатель. С Земли навели на него лазерный светодальномер, уже не с механической, а с электронной модуляцией светового потока. Светодальномер обеспечил поразительную точность измерения запаздывания отраженного светового сигнала (как известно, расстояние от Земли до Луны составляет 380000 км, а запаздывание отраженного сигнала достигает 2,5 с). Этот совместный советско-французский эксперимент нужен был для особо точного измерения астрономических расстояний. И что же? Возможности прибора полностью реализованы не были. Оказалось, что мы недостаточно точно знаем скорость света, чтобы вычислить искомое расстояние!

Срочно несколько научных лабораторий мира взялись за решение проблемы. Было предложено использовать независимые измерения частоты и длины волны лазерного излучения, а затем вычислить скорость света по известной формуле с = λ·f. В Новосибирском институте физики полупроводников придумали способ стабилизации частоты газового лазера с точностью до 10^-12. В лабораториях Национального бюро стандартов и Массачусетеского технологического института США с помощью ряда хитроумных преобразований частоту излучения лазера измерили электронным цифровым частотомером. Длина волны измерялась прецизионным оптическим интерферометром. В результате теперь мы знаем скорость света с точностью до 3·10^-9. Она составляет 299 792 458 ± 1 м/с. Хорошо, что за время этих исследований уголковому отражателю на Луне ровным счетом ничего не сделалось – ведь он представляет собой конструкцию из металлических зеркал.

Но вернемся к великим теоретикам и практикам прошлого века. Убедившись, что скорость электромагнитных волн близка к скорости света, в 1864 году Максвелл высказал смелое и блестяще подтвердившееся предположение, что свет есть электромагнитная волна. С помощью интерферометров определили и длины световых волн, лежащие от 0,4 мкм (синий свет) до 0,7 мкм (красный свет). Но кроме световых должны существовать и другие электромагнитные волны. Известно было о существовании более коротких, ультрафиолетовых волн. Еще в начале XIX века открыли инфракрасные волны. Предстояло экспериментально обнаружить еще более длинные электромагнитные волны, которые теперь называют радиоволнами. Их обнаружили опытным путем через 20 лет после предсказания Максвелла.

В 1886 -1889-х годах Генрих Герц построил искровой генератор электромагнитных волн и исследовал их свойства. Устройство искрового генератора заслуживает более подробного описания. Основа его колебательный контур, известный нам из предыдущей главы. Но колебания в реальном контуре быстро затухают, и, чтобы поддерживать серию колебаний, надо снова и снова заряжать конденсатор и переключать его от источника напряжения к катушке. Этим быстродействующим коммутатором и служит искровой промежуток между двумя металлическими шариками. Искру дает индукционная катушка, или катушка Румкорфа. Сейчас мало кто знает, что это такое, и тем более плохо представляет себе устройство индукционной катушки. А ведь более полувека она была одним из наиболее распространенных устройств в электротехнике. (Разновидность индукционной катушки и до сих пор используется в системах зажигания автомобилей.) Ток батареи G, проходя через первичную обмотку индукционной катушки, намагничивает ее железный сердечник, который притягивает подвижный контакт, и цепь разрывается. Магнитное поле исчезает, и контакт замыкается снова. Частота прерываний тока невелика и составляет 10²… 10³ раз в секунду. Но самое интересное происходит в момент размыкания цепи. В обмотках индукционной катушки возникает ЭДС самоиндукции, пропорциональная скорости изменения магнитного потока. Эта скорость очень велика, ведь контакты размыкаются практически мгновенно. В результате в момент размыкания на выводах первичной обмотки возникает импульс напряжения, в несколько десятков раз превышающий напряжение батареи! Например, при напряжении батареи 12 В несложно получить импульс напряжения 300…400 В.

Вторичная обмотка содержит гораздо больше витков, и импульс напряжения на ее выводах может достигать нескольких тысяч вольт или даже десятков киловольт. До такого же напряжения заряжается и конденсатор контура С. Искровой промежуток S регулируют так, чтобы он пробивался при напряжении, близком к максимальному, развиваемому индукционной катушкой. Проскочившая искра замыкает цепь колебательного LC-контура, и в нем возникает серия затухающих колебаний.

Возбуждение колебаний индукционной катушкой.

Итак, индукционная катушка позволила возбуждать серии затухающих колебаний высокой частоты. Но как же излучить их в пространство в виде волн? Генрих Герц полагал, как это и следует из уравнений Максвелла, что чем быстрее изменяются электрические и магнитные поля, тем эффективнее излучаются волны. Стремясь повысить частоту колебаний контура, Герц оставил в катушке контура всего один виток, а площадь пластин конденсатора уменьшил до предела. В результате получился вибратор, состоящий из двух стерженьков с искровым промежутком между ними. Оказалось, что вибратор Герца эффективно излучает волны с длиной, равной удвоенной длине вибратора. Теперь-то мы знаем, что вибратор Герца представляет собой обычный полуволновый диполь. Посмотрите на любую крышу, и вы увидите телевизионные антенны, представляющие собой систему диполей.

Приемником колебаний служил другой диполь с очень близко расположенными шариками разрядника. Когда искра проскакивала в передающем диполе, крошечную искру можно было наблюдать и в приемном! Так экспериментально была осуществлена передача электромагнитных волн радиодиапазона на расстояние в несколько метров. Оказалось, что прием наиболее эффективен, когда приемный вибратор настроен в резонанс с передающим. Длины вибраторов при этом одинаковы.

Опыты Герца, выполненные в 1887-1888-х годах, вызвали огромный интерес у физиков и инженеров. Многие стали их повторять, видоизменять и совершенствовать. П. Н. Лебедев, замечательный русский физик, открывший, в частности, давление света, сконструировал вибратор на длины волн до трех сантиметров (в опытах Герца длина волны составляла около трех метров). Это были совсем крошечные вибраторы! Были исследованы явления отражения и преломления электромагнитных волн на границе раздела различных сред. Наблюдали отражение волн от металлического листа, преломление волн призмой, изготовленной из диэлектрика. Значительно более мощные электромaгнитные колебания, но меньшей частоты позволил получить трансформатор Тесла, вторичная обмотка которого L₂ была настроена в резонанс с первичной L₁. Поскольку конденсатор во вторичной обмотке отсутствовал, число витков ее было значительно больше, чем в первичной, что обеспечиваю на вибраторе напряжения до миллиона вольт!

Опыт Герца.

Искровой радиопередатчик с трансформатором Тесла.

Наконец мы вплотную подошли в нашем рассказе к моменту изобретения радио. Разумеется, вы знаете, кто это сделал. Наш соотечественник, преподаватель физики минных офицерских классов в Кронштадте Александр Степанович Попов. Ему удалось сконструировать приемник электромагнитных волн, обладающий достаточной для практических целей чувствительностью. Вспомним приемный вибратор Герца. Для того чтобы в его разряднике проскочила искра, необходимо, чтобы электромагнитная волна развила в нем напряжение в несколько сотен вольт. А это значит, что напряженность поля электромагнитной волны должна быть также около сотен вольт на метр (ведь длина вибратора была близка к 1 м).

Напряжение в вибраторе рассчитать очень просто: надо напряженность электрического поля волны помножить на эффективную (действующую) длину вибратора. Обычно она составляет приблизительно 0,7 геометрической длины вибратора. Столь сильные поля создают лишь близкие разряды молнии.

Колебания в вибраторе Герца.

Излучение волн вибратором Герца (показана конфигурация силовых линий электрического поля в моменты 1–3, следующие через четверть периода).

Однажды я неторопливо отсоединял от своего любительского передатчика фидер антенны, любуясь в окно красивой грозовой тучей. В туче сверкнула молния, и в тот же миг между выводами антенны и заземления, находившимися у меня в руках, проскочила с сухим треском голубоватая искра длиной в несколько сантиметров! Хорошо, что выводы были с толстой изоляцией. Дрожащими руками я все-таки соединил эти выводы, заземлив антенну, и стал вспоминать Г. В. Рихмана, сподвижника М. В. Ломоносова, погибшего во время грозы при опытах с металлическим стержнем на крыше (впоследствии этот стержень, только заземленный, стали называть громоотводом). С тех пор я всегда отключаю антенну задолго до приближения грозы, хотя все конструкции моих антенн имеют надежную грозозащиту.

Антенна радиостанции, выполненная в виде вертикальной мачты длиной в четверть волны (электрические силовые линии замыкаются на землю, магнитные – образуют кольца вокруг мачты).

Но вернемся к приемнику А. С. Попова. Вместо искрового промежутка в приемном вибраторе Попов использовал когерер, прибор, изобретенный незадолго до этого французом Э. Браили. Когерер представлял собой стеклянную трубку с двумя выводами, между которыми были насыпаны железные опилки. Из-за тончайшего слоя окиси на поверхности опилок сопротивление когерера велико, но лишь до тех пор, пока на его выводах отсутствует напряжение, безразлично, переменного или постоянного тока. Как только прикладывается напряжение, наведенное электромагнитной волной, сопротивление когерера резко падает. Это объясняется действием мельчайших искр, пробивающих слой окиси между опилками и как бы сваривающих опилки между собой. Чтобы разрушить образовавшиеся мостики для электрического тока, когерер достаточно было встряхнуть. К когереру подводились колебания, наведенные принимаемой волной в приемном вибраторе. Следующий важный элемент приемника А. С. Попова релейный усилитель постоянного тока. Относительно слабый ток через когерер приводил в действие чувствительное реле, контакты которого замыкали цепь электрического звонка. Устройство звонка во многом было аналогично устройству катушки Румкорфа, отсутствовала лишь вторичная обмотка. Молоточек звонка в приемнике Попова ударял не только по колокольчику, но, отскочив, еще и по когереру. Таким образом, когерер автоматически встряхивался после приема каждого электромагнитного импульса и был готов к приему следующего.

Еще одно важное усовершенствование приемника Попова заключалось в использовании приемной антенны. Ведь чем длиннее провод антенны, тем большее напряжение наводит в нем электромагнитная волна. Проволочная антенна, протянутая к ближайшему дереву или на крышу дома, представляет собой как бы одну половину вибратора Герца. Но нужна и вторая половинка противовес. Роль противовеса с успехом выполняет заземление. Токи, которые должны были бы течь в противовес, могут просто растекаться по поверхности и в толще земли, ведь обычная, достаточно влажная почва неплохо проводит электрический ток.

Наконец приемник был готов. Но еще не было передатчика! Можно было принимать лишь радиосигналы естественного происхождения. Они генерируются при каждом разряде молнии, ведь молния представляет собой гигантскую искру, а канал ионизированного газа, образующийся при разряде, прекрасно проводит электрический ток и служит передающим вибратором. А. С. Попов назвал свой приемник грозоотметчиком. С подключенной наружной антенной удавалось регистрировать грозы на расстояниях до 30 км. Каждый разряд молнии сопровождался коротким треньканьем звонка в приемнике! Это устройство А. С. Попов продемонстрировал 7 мая 1895 года на заседании Русского физико-химического общества.

Начиная с 1945 года ежегодно 7 мая отмечается как день рождения радио.

Опыты продолжались. Интересно было принимать искусственно создаваемые сигналы. Искровой передатчик тоже совершенствовался: к нему присоединили антенну, что значительно увеличило длину вибратора. Передачи стали осуществляться на более длинных волнах. К радиоприемнику был присоединен телеграфный аппарат.

И вот 24 марта 1896 года были продемонстрированы передача и прием сигналов азбуки Морзе с записью на ленту телеграфного аппарата. Адмирал С. О. Макаров заинтересовался опытами А. С. Попова и оказал изобретателю большую помощь. В результате весной 1897 года была передана первая радиограмма с корабля на берег, уже на расстояние 640 м.

Первый радиоприемник А. С. Попова.

Успешные опыты по радиосвязи проводились и за границей. Здесь надо упомянуть прежде всего талантливого итальянского инженера Г. Маркони, с огромной энергией внедрявшего достижения радиосвязи в практику. В 1897 году он получил в Великобритании патент на «способ сигнализации на расстоянии» и организовал компанию, в настоящее время носящую его имя. Обладая миллионными капиталами, компания развернула широкое производство радиотелеграфных аппаратов и приступила к осуществлению проекта трансокеанской связи между Европой и Америкой. В то же время на прошение А. С. Попова о выделении трехсот рублей на опыты царский морской министр наложил резолюцию: «На такую химеру денег отпускать не разрешаю!»

В процессе экспериментов была открыта возможность слухового приема на «телефонные трубки», как тогда называли обычные наушники. Дальность связи резко возросла, и все большее число людей проникались мыслью о широком практическом использовании нового изобретения.

«Не было бы счастья, да несчастье помогло», – говорит русская пословица. Ноябрьской ночью 1899 года в кромешной темноте, во время снежного шторма, не имея ни малейшей возможности определить свое местонахождение (радионавигационных приборов, разумеется, еще не было), новый, только что построенный броненосец «Генерал-адмирал Апраксин» оказался на камнях у пустынного острова Готланд в Финском заливе. Надо было срочно организовать спасательные работы, а для этого нужна связь. И А. С. Попов со своим постоянным помощником П. Н. Рыбкиным решили эту проблему. Одна станция была установлена на острове, другая – на материке, вблизи финского города Котка. Длина линии связи достигла 44 км! Связь бесперебойно действовала по апрель 1900 года, пока велись спасательные работы. А 6 февраля этого же года радио спасло жизнь 27 рыбакам, которые оказались в открытом море на льдине, оторвавшейся от берегового припая. Сейчас бы, как это случилось в январе 1987 года на Рижском заливе, вызвали спасательные вертолеты. В 1900 году их не было, но зато было радио! «Командиру «Ермака». Около Лавенсаари оторвало льдину с рыбаками. Окажите помощь» – вот текст радиограммы, принятой П. Н. Рыбкиным на острове Готланд. Ледокол «Ермак» немедленно вышел в море, разыскал льдину с рыбаками и спас людей. Так описывают первый случай, когда радио сохранило жизнь людям. С тех пор подобных случаев было множество. Спустя двенадцать лет только благодаря радио была спасена часть пассажиров печально известного океанского лайнера «Титаник».

Но пожалуй, пора отвлечься от истории радиотехники – она столь обширна и увлекательна, что ей следовало бы посвятить отдельную книгу, и пойдем дальше.

Распространение радиоволн над земной поверхностью

Рассмотрим, как же распространяются радиоволны электромагнитные волны длиной более долей миллиметра. В пустоте, в открытом космосе электромагнитная волна распространяется прямолинейно, причем направление вектора напряженности электрического поля E^― перпендикулярно направлению распространения c^―. Вектор магнитного поля Н^― также перпендикулярен вектору с^― и одновременно вектору Е^―. Все три вектора образуют правовинтовую систему. Если излучатель воли изотропный, т. с. всенаправленный, то и волны распространяются во все стороны от него. Бросьте камень в пруд. И вы увидите волны, расходящиеся правильными концентричными окружностями. Объяснить это явление можно тем, что скорость распространения волн на поверхности воды, так же как и радиоволн в открытом пространстве, одинакова во всех направлениях.

Структура электромагнитной волны.

Как обстоит дело в земных условиях? Здесь даже аналогию придумать трудно, ведь Земля имеет форму шара. Согласитесь, нелегко представить себе шарообразный пруд. Если бы не было атмосферы, радиоволны из любой точки распространялись бы по касательной к поверхности. Связь можно было бы осуществить только в пределах прямой видимости между мачтами антенн. Это расстояние не так уж и мало. Читатели, достаточно сведущие в геометрии, легко решат задачу о дальности прямой видимости между двумя возвышенными точками. Мы же просто приведем готовую формулу

где R_з – радиус Земли; h₁ и h₂– высоты мачт антенн.

Как видим, дальность пропорциональна корню квадратному из высоты мачты антенны. Например, два человека среднего роста на идеальной сферической Земле видят друг друга на расстоянии 8 км.

Определение дальности прямой видимости.

Заметим, что они видят только головы друг друга, а туловище и ноги надежно скрыты за горизонтом! Идеальную сферическую поверхность можно найти только в море, и моряки отлично знают этот эффект: сначала из-за горизонта показываются только верхушки мачт встречного корабля, видимая их часть все увеличивается по мере сближения кораблей, и уже в последнюю очередь видны корпус и палубы.

Так появляется корабль из-за горизонта.

Мы сейчас упомянули о распространении электромагнитных волн оптического диапазона световых волнах. Ведь только благодаря световым волнам мы видим то, что мы видим. Почти так же, как световые, распространяются и более длинные инфракрасные волны и еще более длинные миллиметровые и сантиметровые волны. Но здесь необходимо сделать ряд оговорок. Атмосфера может сильно поглощать некоторые волны с определенными длинами. Действует уже знакомое нам явление резонанса. Молекулы газов атмосферы ведут себя в поле электромагнитной волны как электрические диполи. А если диполь настроен в резонанс с частотой воздействующей на него волны, то он начинает интенсивно возбуждаться. Атомы в молекуле приходят в колебательное движение, а энергия волны, естественно, расходуется на возбуждение этих колебаний. Кислород интенсивно поглощает излучение с длинами волн около 0,5 см, а водяной пар – 1,35 см. На более коротких, субмиллиметровых волнах находятся линии поглощения большинства атмосферных газов, и условия распространения этих волн весьма неблагоприятны. Зато для более длинных волн, сантиметровых, дециметровых и метровых, атмосфера практически прозрачна. Все эти диапазоны относят к ультракоротким волнам (УКВ). Даже сильный дождь поглощает лишь самые короткие сантиметровые волны, тогда как более длинные волны УКВ диапазона хорошо распространяются в любую погоду.

Поглощение сантиметровых и миллиметровых волн в атмосфере.

На Останкинской башне размещены антенны Московского телецентра. Ведь УКВ распространяются прямолинейно, а с высокой башни телевизионный передатчик, работающий в диапазоне УКВ, освещает большую территорию. Были проекты размещения телевизионных антенн и на аэростатах, и на самолетах. Вот на создание каких проектов вынуждает нас кривизна поверхности Земли. В последние годы проблему предлагают решить еще радикальнее – установить телевизионные передатчики на искусственных спутниках Земли. Собственно, передачи со спутников уже давно ведутся. Только для их приема нужны достаточно большие антенны и специальные приемники. Но теперь наступает новая эра – эра прямого телевизионного вещания со спутников, когда каждый телезритель, направив антенну в небо, сможет принимать телепередачи в любой точке страны. Здесь не лишне заметить, что впервые подняли антенну на воздушном шаре А.С. Попов и П.Н. Рыбкин!

Итак, с ультракороткими волнами, вроде бы, все ясно: они распространяются прямолинейно. Но нет правил без исключения.

По мере развития радиотехники все чаще стали рассказывать о случаях, казалось бы, просто невозможных. Сигнал УКВ передатчика принимается далеко за горизонтом, почему, в чем дело? Уж не погода ли влияет? А погода неважная сыро, холодно и туман. Но синоптики предсказывают скорое прохождение теплого фронта, и небо уже затягивают слоисто-кучевые облака. Это значит, что на некоторой высоте над поверхностью Земли поверх сырого, холодного и тяжелого воздуха растекается подошедший слой теплого воздуха. Хотя показатель преломления воздуха и невелик, около 1,0003, он все-таки заставляет радиолуч слегка преломиться. А если изменение показателя преломления с высотой достигает 157 миллионных долей единицы на километр высоты, радиус кривизны радиолуча становится равным радиусу Земли и волна как бы огибает шарообразную Землю. Такие условия складываются нечасто и преимущественно в такую погоду, как мы только что описали. Холодный и влажный воздух у поверхности имеет большой индекс преломления, а теплый и сухой воздух на высоте – малый. Любая волна всегда преломляется в сторону среды с большим индексом. Явление преломления электромагнитных волн в атмосфере называется рефракцией. Она наблюдается и в оптическом диапазоне – заходящее Солнце мы видим еще несколько минут после того, как оно скроется за горизонтом. Были случаи (совсем уж редкие), когда с Южного берега Крыма видели турецкие горы! В УКВ диапазоне рефракция случается гораздо чаще. Для ее возникновения достаточно даже легкого, росистого летнего утра.

Хорошо помню, как именно в такое утро, поеживаясь от еще не ушедшей ночной прохлады, я вылез из палатки, стоящей на берегу Онежского озера, около Вытегры, и включил приемник. Было 25 июня 1979 года. Не сразу сообразив, что делаю, я включил УКВ диапазон и настроился на ленинградскую станцию. Послушал, какая там погода, какие фильмы и концерты ожидаются вечером. Наконец, вспомнил, что до Ленинграда больше четырехсот километров и попасть туда вечером совершенно нереально. Но что самое главное, УКВ сигналы не должны были бы приходить оттуда! Уяснив себе, что столкнулся с аномальным явлением распространения радиоволн, стал внимательно прослушивать весь диапазон. И что же?

Передают последние известия из Новгорода. Рядом рассказывают о достижениях сельского хозяйства в Вологодской области. А уж Петрозаводск слышно как Москву в московской квартире! Все объяснилось очень просто. Ночью было + 5°, выпала сильная роса, и приземный слой воздуха стал холодным и влажным, в то время как восходящее Солнце подогрело верхние слои воздуха. Обычная тропосферная рефракция! К одиннадцати часам дня не было слышно ни дальних городов, ни Петрозаводска, до которого было всего каких-нибудь 150 км.

Аналогичный случай произошел с моим хорошим другом, радиолюбителем и полярником, на дрейфующей станции «Северный полюс». Как-то он захватил с собой на зимовку портативный батарейный приемник «Океан» и, включив УКВ диапазон, стал слушать передачу радиостанции «Маяк». Лишь спустя некоторое время он сообразил, что на Северном полюсе это невозможно! Тем не менее случай был, и чем его объяснить, я не знаю. Возможно, обширная область тропосферной рефракции охватила Арктику или очень сильно возросла концентрация электронов в ионосфере в связи с магнитной бурей или полярным сиянием и ультракороткие волны отражались от ионосферы так же, как короткие.

С другими аномальными случаями распространения УКВ мы еще встретимся, а пока перейдем к диапазону радиоволн с длинами от нескольких километров до десяти метров.

Дневные и ночные волны

Еще в первых опытах А. С. Попова и других изобретателей было установлено, что чем больше размеры антенн, тем больше и дальность связи. Ведь, как мы уже знаем, рабочая частота первых, простейших передатчиков определялась единственным колебательным контуром, в который входила и антенна. Были и теоретические соображения в пользу сверхдлинных волн, которые должны были огибать выпуклость земной поверхности за счет известного из оптики явления – дифракции.

Дифракция – это огибание волной препятствий. Какие препятствия огибает световая волна? Представим, что «точечный» источник света создает на удаленном экране тень от черного картонного кружка. Четкая тень видна от кружка большого диаметра. А при уменьшении диаметра тень становится размытой, более того, наступает момент, когда вместо минимума освещенности в середине тени появляется светлое пятно! Другой опыт. Проделаем небольшое отверстие в непрозрачном кружке. Казалось бы, что чем меньше отверстие, тем меньше должно быть светлое пятно на экране. Это верно до определенных пределов. Если же отверстие становится совсем маленьким, освещенная зона на экране расширяется до огромных размеров! Начало объяснению дифракции положил еще X. Гюйгенс в «Трактате о Свете». Он выдвинул принцип, согласно которому каждая точка фронта волны является источником вторичных волн, распространяющихся во все стороны. Если фронт волны достаточно широк, то волны отдельных источников складываются в направлении «вперед» и взаимно «гасят» друг друга в направлении «вбок» или «в сторону». Таким образом, принцип Гюйгенса не противоречит прямолинейности распространения света. Если же от фронта волны осталась одна точка, как в случае чрезвычайно малого отверстия, свет за отверстием распространяется во все стороны.

Для сверхдлинных радиоволн, длина которых составляет несколько километров, выпуклость Земли при не слишком больших расстояниях уже не помеха. Например, при расстоянии между передатчиком и приемником 1000 км высота шарового сегмента составит около 20 км. Следовательно, волны с частотами в десятки и сотни килогерц должны распространяться на такие расстояния.

Начались опыты по дальней радиосвязи. Гигантские антенны, построенные на восточном побережье Канады и в Англии, обеспечили успех была проведена первая радиосвязь через Атлантический океан. Доктор Фредериксон в американском журнале «Труды Института радиоинженеров» обсуждает вопрос о том, сколько каналов связи можно организовать через океан, приводит осциллограммы телеграфных сигналов, с трудом различимых среди атмосферных помех. Каналов получается мало – ведь избирательность (селективность), т. е. способность отстраиваться от соседних по частоте сигналов мешающих станций, крайне низка. Частоты станций должны отличаться друг от друга процентов на десять, делает вывод автор, а тогда в диапазоне 30…100 кГц можно разместить всего 12 каналов… Техника начала века большего не позволяла. Но в другом отношении результаты поразительны. Распространение волн на расстояние в 5…10000 км уже нельзя объяснить дифракцией. Должен существовать какой-то другой механизм их дальнего прохождения.

А чем объяснить, что днем дальность связи намного меньше, чем ночью? Маркони и проводит массу опытов, конструирует направленную антенну, но факт остается фактом: днем волны почему-то поглощаются, а ночью – нет.

В 1902 году физики А. Кенелли и О. Хевисайд высказали смелое предположение: верхние слои атмосферы должны состоять из ионизированного газа – ведь они подвергаются прямому воздействию солнечного ультрафиолета и других жестких космических излучений. Ионизированный газ проводит электрический ток, а проводники отражают электромагнитные волны. Следовательно, радиоволны должны отражаться от верхних слоев атмосферы! Гипотеза вызвала много споров, окончательно затихнувших лишь в 1925 году, когда американские инженеры Г. Брейт и М. Туве послали импульсный радиосигнал вертикально вверх, приняли отраженный сигнал и экспериментально определили высоту отражающего слоя. Долгое время ионосферу так и называли – слой Хевисайда, пока… пока не выяснилось, что отражающих слоев несколько: летним днем их не меньше четырех!

Оказывается, один ионизированный слой образовался бы, если бы атмосфера была однородной и имела одинаковую температуру на всех высотах. В действительности же состав верхних слоев атмосферы весьма неоднороден, и, кроме того, наблюдается несколько температурных инверсий (отклонений от нормального закона убывания температуры с высотой). Ближе всего к поверхности Земли на высоте около 70 км расположен слой D. Это нерегулярное образование ионосферы существует только в дневные часы, когда велика интенсивность солнечного ионизирующего излучения. На высотах 100…120 км постоянно существует слой Е. В зависимости от времени суток и года изменяется лишь концентрация свободных электронов в этом слое. Ночью слой располагается несколько выше, а днем – ниже, что также связано с изменениями потока ионизирующего излучения. Самый верхний слой, слой F, располагается на высотах 150…350 км, где и атмосферы-то уже практически нет, настолько разрежен воздух на этих высотах.

Ионосфера.

Молекулы газов, составляющих атмосферу, там распадаются на отдельные атомы, которые под действием ионизирующего излучения немедленно теряют внешние, наиболее удаленные от ядра электроны и становятся положительно заряженными ионами. А потерянные ими электроны становятся свободными и с огромными скоростями летают в верхних слоях атмосферы, пока не столкнутся с каким-либо положительным ионом. Путь, проходимый любой частицей между двумя столкновениями, называют длиной свободного пробега. В верхних слоях, где частиц мало, длина свободного пробега может быть очень большой. Процесс воссоединения электрона с ионом называется рекомбинацией. Таким образом, содержание заряженных частиц в атмосфере определяется двумя процессами: ионизацией внешним излучением и рекомбинацией из-за соударений. Теперь становится понятным, почему ионизированных атомов и молекул почти нет у поверхности Земли: поток ионизирующего излучения здесь очень мал, поскольку он уже поглотился в верхней атмосфере, а соударения очень часты и рекомбинация ионов и электронов происходит немедленно. В верхних слоях все наоборот: поток ионизирующего излучения велик, а столкновения, приводящие к рекомбинации, относительно редки. Вот поэтому практически все атомы в самых верхних слоях ионосферы ионизированы.