Изогнутый слой воздуха собирает радиоволны в пучок и сигнал на УКВ скачет на двадцать децибел

Оператор УКВ, следящий за дальней станцией, иногда наблюдает странную картину на индикаторе уровня. Сигнал не просто плавно меняется, а резко скачет: то проваливается глубоким замиранием на двадцать с лишним децибел, то взлетает много выше обычного, словно кто-то наводит на корреспондента невидимую линзу. Антенна неподвижна, мощность корреспондента постоянна, а уровень пляшет так, будто меняется само усиление трассы. И часто это происходит в спокойную погоду с устойчивой стратификацией воздуха.

Объяснение в том, что атмосфера способна работать как линза. Слой воздуха с изогнутым по высоте показателем преломления преломляет проходящие сквозь него лучи неравномерно, сводя их в одних точках и разводя в других. В точке схождения лучей сигнал фокусируется и резко усиливается, в точке расхождения дефокусируется и проваливается. Это явление родственно дактингу, но не запирает волну в волноводе, а именно фокусирует её, как стеклянная линза свет. Разберём, что такое суперрефракция, почему изогнутый слой собирает лучи в пучок, какими цифрами описывается усиление и провалы и почему именно УКВ так чувствительны к этому.

Нормальная рефракция, суперрефракция и переход к фокусировке

Показатель преломления воздуха убывает с высотой, и потому радиолуч в атмосфере слегка загибается к земле. Скорость этого загибания задаётся вертикальным градиентом показателя преломления, выраженным в приведённых единицах преломления на километр высоты. В стандартной атмосфере градиент составляет около минус сорока единиц на километр, и при таком градиенте луч загибается слабо, лишь немного дальше уходя за геометрический горизонт.

Когда градиент становится круче стандартного, то есть показатель преломления падает с высотой быстрее обычного, наступает суперрефракция. Лучи загибаются к земле сильнее, трасса как бы открывается, препятствия становятся ниже относительно лучей, дальность растёт. Суперрефракция начинается, когда градиент уходит заметно ниже стандартных минус сорока единиц, и усиливается по мере приближения к пороговому значению около минус ста пятидесяти семи единиц на километр, за которым уже начинается захват в волновод и дактинг.

Между обычной слабой рефракцией и полным захватом в волновод лежит широкая область, где атмосфера уже заметно изгибает лучи, но ещё не запирает их. Именно в этой области и проявляется фокусировка. Слой с переменным по высоте градиентом изгибает разные лучи по-разному, и геометрия их хода начинает напоминать ход лучей в линзе, со сходящимися и расходящимися пучками. Это не отдельный экзотический эффект, а естественное следствие неравномерной рефракции в слоистой атмосфере.

Почему изогнутый слой работает именно как линза

Стеклянная линза фокусирует свет потому, что её толщина меняется от центра к краю, и лучи, прошедшие через разные участки, получают разную задержку и сходятся в фокусе. Атмосферный слой делает то же самое, но иначе: задержку лучам сообщает не толщина стекла, а изменение показателя преломления по высоте. Лучи, идущие на разной высоте сквозь слой с переменным градиентом, загибаются на разный угол, и если геометрия слоя такова, что более высокие лучи загибаются сильнее нижних, веер лучей от передатчика сходится в одной области пространства.

В этой области схождения плотность энергии резко возрастает, потому что туда приходят лучи, которые в однородной атмосфере разошлись бы по разным направлениям. Приёмник, оказавшийся в фокусе, принимает усиленный сигнал, словно перед ним поставили дополнительную антенну с выигрышем. Наоборот, чуть в стороне от фокуса, в области расхождения лучей, плотность энергии падает ниже обычной, и там сигнал проваливается глубоким замиранием. Поскольку атмосферный слой не статичен, а медленно дышит и смещается, фокус ползёт в пространстве, и неподвижный приёмник попеременно оказывается то в зоне фокуса, то в зоне провала. Отсюда характерные скачки уровня.

Важно, что фокусировка обычно сопровождается многолучёвостью. К приёмнику приходит не один луч, а несколько, прошедших слой разными путями, и они складываются то синфазно, усиливая сигнал, то противофазно, гася его. Поэтому фокусировка и многолучёвое замирание это две стороны одной слоистой структуры: где-то лучи собираются и усиливают друг друга, где-то расходятся и гасят. Глубокие замирания свыше двадцати децибел регулярно сменяются заметным подъёмом сигнала, и эта изменчивость и есть подпись фокусирующего слоя.

Числовая прикидка усиления и роста дальности

Переведём в цифры. Удобный инструмент это эквивалентный радиус земли, приём, при котором изгиб лучей учитывают, заменяя реальную землю воображаемой большего радиуса, над которой лучи идут уже прямо. Для стандартной атмосферы коэффициент увеличения радиуса равен примерно четырём третям. При суперрефракции лучи загибаются сильнее, эквивалентный радиус растёт, и при подходе к волноводному порогу стремится к бесконечности, когда лучи следуют за кривизной земли.

Оценим рост дальности. Расстояние до радиогоризонта пропорционально корню из эквивалентного радиуса земли:

d = sqrt(2 R_экв h)

При обычном коэффициенте четыре третьих и высоте антенны тридцать метров над землёй эквивалентный радиус около восьми с половиной тысяч километров даёт горизонт примерно двадцать три километра. Если суперрефракция увеличит эффективный коэффициент, скажем, вдвое, до восьми третьих, эквивалентный радиус вырастет вдвое, и дальность до горизонта поднимется в корень из двух раз:

d_супер / d_норм = sqrt(2) = 1.41

То есть дальность вырастет примерно в полтора раза только за счёт усиления рефракции, что согласуется с наблюдениями роста дальности УКВ почти вдвое при снижении эффективной рефракции на трассе. Это ещё не дактинг с его тысячами километров, а умеренное, но устойчивое расширение зоны уверенного приёма.

Теперь о фокусном усилении. В зоне схождения лучей плотность потока возрастает во столько раз, во сколько сужается сечение пучка по сравнению с обычным расхождением. Если фокусирующий слой сжимает вертикальный размер пучка, скажем, втрое, плотность энергии в фокусе вырастет втрое, что в децибелах составляет

dG = 10 * log(3) = 4.8 децибела

Почти пять децибел фокусного выигрыша. А при более сильной фокусировке, когда сходятся лучи из ещё большего телесного угла, выигрыш доходит до десяти децибел и более. Сложенный с многолучёвым усилением в моменты синфазного сложения, этот выигрыш и даёт те всплески, когда дальняя станция вдруг приходит много громче расчётного. Зеркальная же сторона это провалы свыше двадцати децибел в зонах расхождения и противофазного сложения.

Почему именно УКВ чувствительны к атмосферным линзам

Стоит понять, почему фокусировка ярко проявляется именно на метровых и дециметровых волнах, а не на коротких. На коротких волнах главный механизм дальнего распространения это отражение от ионосферы, и тропосферная рефракция на их фоне почти незаметна. УКВ же ионосфера обычно не отражает, и они распространяются в тропосфере, где малые изменения показателя преломления и определяют судьбу сигнала. Поэтому именно на УКВ тропосферные линзы выходят на первый план.

Есть и геометрический довод. Чем выше частота и короче волна, тем уже может быть луч антенны и тем заметнее эффект схождения и расхождения тонких пучков. На коротких волнах с их широкими диаграммами фокусировка размывается, на УКВ с узкими лучами она проявляется резко. Кроме того, на УКВ приёмник способен различить отдельные лучи многолучёвого прихода по их интерференции, отчего замирания и всплески получаются глубокими и контрастными.

Стоит держать в уме и масштаб явления во времени. Фокусирующие слои живут от минут до часов, медленно смещаясь и перестраиваясь вместе с эволюцией атмосферной стратификации. Поэтому всплески и провалы на УКВ имеют характерный темп: не мгновенное мерцание, как при отражении от самолёта, и не суточный ритм, как при ионосферном распространении, а плавные волны усиления и замирания в течение минут, выдающие работу медленно дышащей атмосферной линзы.

Как использовать фокусировку и не пострадать от провалов

Из природы явления вытекают практические выводы и для дальней связи, и для надёжных линий. Перечислим, как обращаться с атмосферной фокусировкой. Вот основные приёмы:

1. для дальней связи ловить моменты всплесков, держа канал готовым и работая узкополосными видами, выживающими в провалах;
2. для надёжных линий закладывать запас на глубокие замирания свыше двадцати децибел, не рассчитывая на средний уровень;
3. разносить приёмные антенны по высоте или в пространстве, чтобы при провале на одной другая оказывалась в более удачной зоне;
4. учитывать суперрефрактивный прогноз так же, как прогноз дактинга, поскольку оба рождаются из градиента показателя преломления;
5. различать медленные фокусные волны и быстрые мерцания иной природы, чтобы верно понимать происходящее на трассе.

Самый практичный приём для надёжных линий это разнесённый приём. Поскольку фокус и провал разнесены в пространстве, две антенны, отстоящие друг от друга, редко попадают в провал одновременно, и приёмник, выбирающий лучший из двух сигналов, сглаживает замирания. Для дальней же связи фокусировка это подарок: умея читать суперрефрактивную обстановку, оператор подгадывает сеансы к моментам, когда атмосферная линза наводится на нужный азимут, и ловит всплески, недостижимые в обычных условиях. Запас по уровню и разнесение защищают от провалов, а терпение и готовность ловят всплески.

Числовая прикидка кривизны луча и условия фокусировки

Полезно связать градиент показателя преломления с радиусом кривизны самого луча, потому что именно соотношение этой кривизны с кривизной земли решает, фокусирует слой или нет. Радиус кривизны радиолуча в атмосфере обратно пропорционален градиенту показателя преломления по высоте. Луч загибается тем круче, чем резче падает показатель. В приведённых единицах преломления радиус кривизны луча оценивается как

R_луча = 1e6 / |dN/dh|

где градиент берётся в единицах на метр. Для стандартного градиента минус сорок единиц на километр, то есть минус 0.04 единицы на метр, радиус кривизны луча

R_луча = 1e6 / 0.04 = 25e6 метров = 25000 километров

Это намного больше радиуса земли в шесть тысяч с небольшим километров, поэтому луч загибается слабее поверхности и уходит вверх. Теперь возьмём суперрефрактивный градиент минус сто единиц на километр, то есть минус 0.1 на метр. Радиус кривизны луча

R_луча = 1e6 / 0.1 = 10e6 метров = 10000 километров

Уже ближе к радиусу земли, луч загибается заметно круче, и трасса открывается. Когда градиент достигает порога минус сто пятьдесят семь единиц на километр, радиус кривизны луча сравнивается с радиусом земли, и луч начинает идти параллельно поверхности, что и есть граница волновода.

Фокусировка возникает, когда градиент не однороден по высоте, а меняется внутри слоя, отчего лучи на разных высотах имеют разный радиус кривизны и сходятся. Прикинем: если в нижней части слоя градиент минус сорок, а в верхней минус сто, радиусы кривизны лучей различаются в два с половиной раза, и веер лучей, прошедших слой, неизбежно соберётся в фокус на некотором удалении. Чем резче меняется градиент по высоте внутри слоя, тем короче фокусное расстояние такой атмосферной линзы и тем контрастнее всплеск в фокусе. Вот почему именно слои с резким изломом профиля показателя преломления дают самые яркие фокусные эффекты, а плавные однородные градиенты лишь слегка увеличивают дальность без выраженной фокусировки.

Что из этого следует держать в голове

Атмосфера со слоистой структурой показателя преломления работает как линза: изогнутый слой воздуха сводит радиолучи в фокус, где сигнал резко усиливается, и разводит их в стороне, где сигнал глубоко проваливается. Это суперрефракция, промежуточная между обычным слабым загибанием лучей и полным захватом в волновод, и именно она вызывает на УКВ контрастные скачки уровня с всплесками и замираниями свыше двадцати децибел.

Понимание этого превращает капризную пляску сигнала из загадки в читаемую картину. Зная, что фокус и провал рождаются из градиента показателя преломления и медленно дышат вместе с атмосферой, оператор для дальней связи ловит всплески, а проектировщик надёжной линии закладывает запас и разносит антенны от провалов. Хорошая УКВ линия узнаётся не по уровню сигнала в спокойный час, а по тому, переживает ли она глубокие замирания, когда атмосферная линза отвернулась от её трассы.