Мелкие комки влажного воздуха рассеивают сигнал 23 см далеко за горизонт

На диапазоне двадцать три сантиметра действует упрямое правило: связь только в пределах прямой видимости, чуть дальше горизонта и тишина. Так гласит учебник, и так оно для слабых станций и есть. Но операторы, ставшие мощную аппаратуру и большие зеркала, давно заметили странность. Корреспондент за двести, триста, а порой и за пятьсот километров, далеко за любым горизонтом, слышен, пусть слабо и с характерным дрожанием. Никакой инверсии и волновода в этот момент нет, погода самая заурядная, а сигнал всё равно приходит из-за края земли.

Объяснение в тропосферном рассеянии. Нижний слой атмосферы не однороден, он наполнен мелкими комками воздуха с чуть разной влажностью, температурой и плотностью, постоянно перемешиваемыми турбулентностью. Каждый такой комок с отличным от соседей показателем преломления чуть-чуть рассеивает падающую на него радиоволну, и крошечная доля энергии летит вперёд за горизонт, к далёкому приёмнику. Разберём, почему именно градиенты влажности рассеивают сильнее всего, как устроен общий объём рассеяния, какими цифрами описываются потери и почему на двадцати трёх сантиметрах этот механизм работает особенно заметно.

Почему неоднородности влажности рассеивают радиоволну

Показатель преломления воздуха зависит от температуры, давления и влажности, причём в нижней тропосфере именно содержание водяного пара вносит главный переменный вклад. Влажность в реальной атмосфере распределена не гладко, а пятнами: турбулентные вихри постоянно перемешивают воздух, создавая мелкомасштабные комки с повышенной и пониженной влажностью рядом друг с другом. На границах этих комков показатель преломления меняется скачком, пусть и крошечным.

Любая граница, на которой меняется показатель преломления, частично рассеивает падающую волну, подобно тому как неоднородность в прозрачной среде рассеивает свет. Чем резче и чаще перепады показателя, тем сильнее рассеяние. Поскольку влажность даёт самый изменчивый вклад в показатель преломления и перемешивается турбулентностью активнее всего, именно градиенты влажности служат главными рассеивателями в нижней тропосфере. Сухая стабильная атмосфера рассеивает слабо, влажная турбулентная заметно сильнее.

Важно, что рассеяние происходит вперёд, в направлении, близком к исходному ходу волны, лишь слегка отклонённом вниз к земле. Это прямое, или переднее, рассеяние, и именно оно уносит часть энергии за горизонт. Назад и в стороны рассеивается ничтожно мало. Поэтому передатчик целит узким лучом чуть выше горизонта в сторону корреспондента, чтобы вложить максимум энергии в тот объём атмосферы, который рассеет её вперёд к нему.

Общий объём рассеяния и геометрия загоризонтной связи

Связь рассеянием возможна, когда обе станции нацеливают свои антенны чуть выше горизонта так, чтобы их лучи пересеклись в одном объёме атмосферы высоко над промежуточной точкой трассы. Этот объём, видимый обеими станциями одновременно, называют общим объёмом рассеяния. Передатчик заливает его энергией, неоднородности влажности в нём рассеивают часть энергии вперёд, и приёмник ловит то, что прилетело в его сторону.

Геометрия диктует условия. Чем дальше станции друг от друга, тем выше над землёй должен лежать общий объём, потому что только высоко расположенный объём виден обеим из-за кривизны земли. А чем выше объём, тем он разреженнее и тем слабее в нём неоднородности, поэтому с дальностью сигнал быстро слабеет. Этим и задаётся практический предел рассеянной связи, лежащий в районе от ста до семисот километров в зависимости от мощности, антенн и состояния атмосферы.

Рассеянный сигнал имеет характерные приметы. Он слаб, потому что в нужную сторону рассеивается лишь крошечная доля излучённой энергии. Он дрожит и замирает, потому что турбулентные комки в общем объёме постоянно движутся и перестраиваются, отчего сумма рассеянных от них волн то усиливается, то гасится. Это быстрое замирание, накладывающееся на медленные изменения по мере эволюции погоды, и есть звуковой почерк тропосферного рассеяния, по которому его узнают на слух.

Почему именно двадцать три сантиметра работают заметно

Тропосферное рассеяние действует в широкой полосе частот, примерно от метровых волн до сантиметровых, от ста сорока мегагерц до десяти гигагерц. Но на двадцати трёх сантиметрах, это около тысячи трёхсот мегагерц, оно проявляется особенно удобно для любительской связи, и тому есть несколько причин, складывающихся вместе.

Во первых, эффективность рассеяния на неоднородностях зависит от соотношения их размеров и длины волны, и сантиметровый, дециметровый диапазон хорошо рассеивается на тех масштабах турбулентных комков, что преобладают в тропосфере. Во вторых, на этой частоте уже реально построить антенну с очень узким лучом и большим усилением скромных физических размеров, а узкий луч концентрирует энергию в общем объёме и собирает рассеянное обратно, что критично при огромных потерях рассеяния. Полноразмерное зеркало на двадцать три сантиметра компактно, а его усиление велико. На метровых волнах такое усиление потребовало бы исполинской антенны.

В третьих, на двадцати трёх сантиметрах атмосферное поглощение ещё мало, в отличие от более высоких частот, где начинают мешать резонансы водяного пара и кислорода. Получается окно, в котором рассеяние уже эффективно, антенны уже остронаправленны и компактны, а поглощение ещё не съедает сигнал. Поэтому именно этот диапазон стал популярным для загоризонтных рассеянных связей среди тех, кто всерьёз занимается дальней работой на микроволнах, и контакты за сотню и более километров здесь делаются именно рассеянием, когда нет других механизмов.

Числовая прикидка потерь на рассеянной трассе

Переведём в цифры главную трудность, гигантские потери. На трассе прямой видимости потери растут как квадрат расстояния. На рассеянной трассе они растут несравнимо быстрее, потому что с дальностью общий объём поднимается выше и рассеивает слабее. Грубо потери рассеянной трассы можно представить как сумму обычных потерь распространения и дополнительных потерь рассеяния, набегающих с расстоянием.

Прикинем порядок. Потери свободного пространства считаются по формуле:

L = 20 log(d) + 20 log(f) + 32.4

где d в километрах, f в мегагерцах, L в децибелах. Для трассы триста километров на частоте тысяча триста мегагерц только потери свободного пространства составят

L = 20 log(300) + 20 log(1300) + 32.4 = 49.5 + 62.3 + 32.4 = 144 децибела

И это лишь базовая часть. Сверх неё рассеянная трасса добавляет потери самого рассеяния, потому что приёмника достигает только ничтожная доля энергии, попавшей в общий объём. Эта добавка на дециметровых волнах составляет ещё многие десятки децибел, и суммарные потери рассеянной трассы в триста километров легко достигают двухсот и более децибел. Вот почему рассеянная связь требует и большой мощности, и высокого усиления антенн с обеих сторон, и чувствительного малошумящего приёмника, иначе слабый рассеянный сигнал просто утонет в шуме.

Оценим, что это значит для энергетики. Если передатчик отдаёт сто ватт, это плюс пятьдесят децибел относительно милливатта. Антенны с обеих сторон с усилением по двадцать пять децибел добавляют ещё пятьдесят. Итого на входе приёмника при потерях двести децибел остаётся пятьдесят плюс пятьдесят минус двести, то есть минус сто децибел относительно милливатта, около уровня собственных шумов хорошего приёмника в узкой полосе. Связь на пределе возможного, и именно поэтому рассеянные контакты идут медленным телеграфом или узкополосными цифровыми видами, способными работать у самого порога шума.

Как использовать рассеяние и отличить его от других механизмов

Из природы явления вытекают практические приёмы для тех, кто хочет работать рассеянием. Главное это энергетика и точное наведение. Перечислим, что отличает успешную рассеянную связь и помогает не спутать её с другими видами дальнего прохождения. Вот ключевые приметы и приёмы:

1. сигнал слаб и постоянно дрожит быстрым замиранием, в отличие от мощного и устойчивого сигнала при волноводном дактинге;
2. рассеяние есть почти всегда при достаточной энергетике, не требует особой погоды, тогда как дактинг возникает лишь при инверсии;
3. обе антенны наводят чуть выше горизонта в общий объём, а не точно на корреспондента по прямой;
4. дальность держится в пределах примерно ста семисот километров и слабо зависит от суточного и погодного цикла;
5. для работы у порога шума выбирают узкополосные виды и медленные скорости, накапливающие слабый сигнал.

Отличить рассеяние от дактинга проще всего по силе и устойчивости сигнала и по погоде. Дактинг даёт сильные стабильные сигналы и привязан к антициклону с инверсией, рассеяние даёт слабые дрожащие сигналы и работает в любую заурядную погоду, лишь бы хватало мощности и усиления. Влажная неспокойная атмосфера усиливает рассеяние, потому что в ней больше и резче неоднородности влажности, так что после тёплого влажного дня с конвекцией рассеяние нередко чуть живее, чем в сухой штиль. Понимание этого позволяет осознанно выбирать механизм: ждать инверсии ради мощного дактинга или работать рассеянием здесь и сейчас, полагаясь на энергетику, а не на погоду.

Масштаб турбулентных комков и связь с длиной волны

Стоит подробнее разобрать, почему размер неоднородностей так важен и как он связывает рассеяние с частотой. Турбулентность в атмосфере дробит воздух на вихри самых разных размеров, от крупных, в сотни метров, до мелких, в сантиметры, образуя целый спектр масштабов. Радиоволна рассеивается преимущественно на тех неоднородностях, чей размер соизмерим с величиной, связанной с длиной волны и углом рассеяния. Это похоже на условие отражения от решётки: эффективнее всего работают комки определённого размера, попадающие в резонанс с геометрией трассы.

Для переднего рассеяния под малым углом, характерного для загоризонтной связи, наиболее действенны неоднородности размером порядка длины волны, делённой на удвоенный угол рассеяния. На двадцати трёх сантиметрах при малых углах это масштабы от единиц до десятков метров, и таких вихрей в турбулентной атмосфере в избытке. Прикинем: при длине волны 0.23 метра и угле рассеяния около двух градусов, что есть примерно 0.035 радиана, действенный масштаб неоднородности

l = lambda / (2 theta) = 0.23 / (2 0.035) = 3.3 метра

Трёхметровые комки влажного воздуха в турбулентной тропосфере обычны, поэтому рассеиватели для двадцати трёх сантиметров всегда в наличии. На метровых волнах действенный масштаб вырос бы до десятков и сотен метров, такие крупные однородные комки реже и слабее выражены, отчего рассеяние на низких частотах при прочих равных капризнее. Это ещё одна причина, по которой дециметровый диапазон оказывается в выгодном положении для рассеянной связи.

Зависимость от масштаба объясняет и сезонные, и суточные колебания силы рассеяния. После прогрева земли днём конвекция активнее перемешивает влажный приземный воздух, спектр турбулентности обогащается, и рассеяние крепнет. В тихую холодную ночь без конвекции турбулентность затихает, неоднородности сглаживаются, и рассеянный сигнал слабеет. Поэтому опытные операторы выбирают для рассеянных связей время суток и сезон с активной конвекцией над влажной местностью, выжимая из атмосферы максимум доступных рассеивателей.

Что из этого следует держать в голове

Связь на двадцати трёх сантиметрах за горизонтом возможна благодаря тропосферному рассеянию на мелких неоднородностях влажности, которыми турбулентность наполняет нижнюю атмосферу. Каждый комок воздуха с чуть иным показателем преломления рассеивает крошечную долю энергии вперёд, и сумма этих рассеяний доносит слабый дрожащий сигнал на сотни километров за край земли. Двадцать три сантиметра удобны тем, что рассеяние здесь уже эффективно, антенны компактны и остронаправленны, а поглощение ещё мало.

Понимание этого превращает загоризонтную связь на микроволнах из загадки в инженерную задачу с понятным балансом энергетики. Рассеяние не ждёт особой погоды и доступно почти всегда, но требует мощности, больших антенн и чувствительного приёмника, потому что потери огромны. Хороший микроволновый оператор узнаётся не по тому, что ловит редкий волновод, а по тому, что умеет выжать связь из вечного, но слабого рассеяния, наведя зеркало в нужный объём неба и услышав в дрожащем шуме далёкого корреспондента.