Перевод статьи "Skewed Paths to Europe on The Low Bands" , журнал CQ , Август, 1999 год

Все статьи на QRZ.RU Экспорт статей с сервера QRZ.RU Все статьи категории "Распространение радиоволн"

Перевод статьи "Skewed Paths to Europe on The Low Bands" из августовского 1999 года номера журнала CQ, публикуется с разрешения CQ Communications, Inc.
Перевод UA9CIR.
Большое спасибо K9LA и UA6LV за помощь в подготовке публикации.
Translated and reprinted with permission from the August 1999 issue of CQ Amateur Radio magazine, copyright CQ Communications, Inc.

Карл Лютцельшваб K9LA

Carl Luetzelschwab K9LA

Связи с Европой на НЧ по косому пути

Я начал работать на Top Band DXCC осенью 1995 года. Вскоре после этого я подписался на Topband-рефлектор, так как он является источником ценной информации о том, какие станции будут работать на диапазоне 160м, и какие работают в настоящее время.

Кроме темы "что-где-когда" популярной темой обсуждений в рефлекторе является прохождение, особенно те случаи, когда трасса отклоняется от дуги большого круга. Недавно в рефлекторе появилось сообщение от Билла Типпета W4ZV о его QSO с SM4CAN 10 марта 1999 года:

"Вчера ночью наблюдалось довольно интересное прохождение. Я начал слышать SM4CAN около 0230. Сигнал был хороший и принимался лучше всего на бевередж с направления 80°. Азимут от меня на SM4CAN равен 34°, поэтому очевидно, что трасса сигнала отклонилась к югу из-за магнитной бури (по данным WWV k=5 в 0300 UTC и k=6 в 0600 UTC). Я принимал Кента (SM4CAN) также и на бевереджи 40° и 110°, но лучше всего именно на 80°-ный. Также я слышал, как Кент говорил кому-то, что он принимает нас со стороны Южной Америки, так что отклонение трассы к югу имело место и на том конце трассы."

W4ZV и другие наблюдали этот косой путь на европейских трассах много раз. Билл W4ZV до этого жил в Колорадо (WØZV), и там это явление наблюдалось чаще. Билл даже написал статью для брошюры "1991 Proceedings of Fine Tuning", в которой описал свои наблюдения о связях по длинному и косому путям. Эта статья была перепечатана в книге "Top Band Anthology, Volume I" под редакцией Уорда Силвера NØAX и представлена на Pacific Northwest DX Convention 1998 года в Сиэтле.

В случае с трассой W4ZV-SM4CAN резонным будет вопрос: чем вызвано отклонение трассы? А именно, какие явления в ионосфере стали причиной аномалии?

Оказывается, обьяснение этому феномену существует, и картина начала проясняться после того, как Боб Браун NM7M предположил, что причиной может быть градиент электронной концентрации , а именно: концентрация электронов увеличивается в направлении, перпендикулярном трассе. Вследствии этого сигнал, распространяющийся по дуге большого круга, отклоняется от нее и затем распространяется по другой дуге большого круга. Подобно тому, как радиоволна, распространяющаяся вверх к ионосфере, встречает на своем пути увеличение электронной концентрации (вертикальный градиент) и поэтому отражается обратно к земле, она может отклоняться вбок, встретив на своем пути горизонтальный градиент электронной концентрации. Давайте посмотрим на ионосферную карту, соответствующую времени связи W4ZV-SM4CAN, и попробуем определить, имел ли место горизонтальный градиент в районе трассы, могущий привести к появлению косого пути.

Но сначала несколько замечаний. Во-первых, ионосферная карта показывает распределение критических частот (или максимально применимых частот, МПЧ) для конкретной длины скачка. То, что там нет в явном виде электронной концентрации, не страшно, так как концентрация электронов пропорциональна квадрату критической частоты, а МПЧ пропорциональна критической частоте. Поэтому градиент электронной концентрации на карте выразится в градиенте критической частоты или градиенте МПЧ. Во-вторых, распространение радиоволн диапазона 160 м ограничено обычно слоем E (высота около 110 км) и нижним краем слоя F (около 200 км) ионосферы, так как концентрация электронов в этих слоях уже достаточна для отражения таких низких частот. При рассмотрении градиента в области F надо учитывать высоту, на которой он имеет место, так как радиоволна частоты 1.8 МГц может не достичь той высоты, на которой градиент может влиять на ее трассу.

Рис.1a. Карта МПЧ области E, март, 0200 UTC, SSN=100.

Рис.1b. Карта критических частот области F, март, 0200 UTC, SSN=100.

На рис.1 показаны ионосферные карты, рис.1a - карта МПЧ для области E и длины скачка 2000 км, рис.1b - карта критических частот области F. Карты даны для марта 1999 года, время - 0200 UTC. На обеих картах показаны трассы W4ZV-SM4CAN по косому пути, построенные на основании измерения направлений прихода сигналов, сделанных на обоих концах трассы с помощью антенн Бевереджа. Точно определить точку излома трассы затруднительно, так как ширина лепестка бевереджа по уровню 3dB достигает несколько десятков градусов. Фактически косой путь представляет собой два отрезка дуги большого круга. В реальности это две прямых (если смотреть на Землю сверху), но на картах они изображены в виде дуг, так как карты выполнены в прямоугольной проекции.

Действительно, на картах мы видим, что в некоторых местах линии равной частоты уплотняются, что говорит о наличии градиента электронной концентрации в этих районах. (Похожую картину мы можем видеть на картах погоды, где уплотнение линий равного давления - изобар - означает наличие сильного ветра.) На наших картах градиент электронной концентрации имеет место вдоль линии восхода солнца в левой части обеих карт, вдоль линии захода солнца на рис.1a, а также в районе экватора на рис.1b. Районы восхода и захода расположены далеко от нашей трассы, поэтому они нас не интересуют. Но северная область градиента на карте области F (рис.1b) требует более пристального рассмотрения.

Для моделирования трассы, начинающейся в точке W4ZV по азимуту 80°, используем программу Proplab Pro производства Solar Terrestrial Dispatch. Модель лучевого распространения, заложенная в этой программе, учитывает влияние магнитного поля Земли, а также столкновение электронов с нейтральными частицами, что важно, так как учитывает эффект расщепления волны на обыкновенную и необыкновенную. Как и можно было ожидать, на начальном отрезке трассы отклонение волны невелико, так как градиент в области F не влияет на ее распространение, поскольку отражение волн этой частоты происходит ниже. Отклонение волны составляет всего несколько градусов, и это согласуется с результатами других исследований (Oler и Cohen, 1998), подтверждающих, что на частоте 1.8 МГц радиоволна не достигает слоя F, а отражается от нижележащих слоев.

Однако, не будем спешить с выводами. Ионосферные карты применяются для прогнозирования прохождения, поэтому они строятся на основе усредненных, а точнее - среднемесячных, данных. Другими словами, они показывают то, что следует ожидать в среднем в течение месяца. При этом кратковременные изменения обстановки на таких картах не отражаются.

Но существуют ли данные, отражающие текущие изменения? Да, такие данные есть, это результаты ионосферного зондирования, проводимого на Аляске. Эти данные позволяют нам увидеть в реальном масштабе времени, что происходит в ионосфере высоких широт. Несмотря на то, что эти измерения проводились несколько десятилетий назад, эти данные применимы и сегодня. В начале 60-х годов технический прогресс позволил начать применение метода зондирования ионосферы с помощью некогерентного рассеяния радиоволн. Этот метод позволяет выяснить распределение электронной концентрации по всей высоте ионосферы. В течение 60-х, 70-х и 80-х годов по этому методу велись интенсивные измерения в ионосфере высоких широт. Большинство данных о высокоширотной ионосфере получены как раз в то время.

Рис.2. Зависимость концентрации электронов от широты для возмущенной ионосферы в ночное время (13 октября 1971 года).

На рис.2 показано распределение электронной плотности по высоте, полученное по методу некогерентного рассеяния на ионосферной станции Chatanika на Аляске (Bates, Belon и Hunsucker, 1973). По оси Y - электронная концентрация в эл/см³. По оси X - геомагнитная широта.

График построен для фиксированной геомагнитной долготы для ночной ионосферы, причем, по словам авторов исследования, геомагнитная обстановка была умеренно возмущенной, что подтверждается наблюдениями полярного сияния.

Важно отметить большую величину градиента, как в области E, так и в области F. При изменении широты всего на несколько градусов концентрация электронов как в той, так и в другой области увеличивается по крайней мере в 10 раз. Такая величина градиента на порядок превышает ту, что мы видели на рисунках 1a и 1b. И естественно, что на картах это явление не показано, потому что эти изменения слишком кратковременны для среднемесячных карт.

Для области F показано две линии - одна соответствует увеличению частоты радиолокатора зондирования, другая - уменьшению. Этот градиент есть не что иное, как северная (полярная) стенка так называемого главного ионосферного провала. Ширина провала - порядка 5 градусов по широте, при этом южная (экваториальная) стенка провала на рисунке не показана, она расположена левее оси Y, примерно на 60° геомагнитной широты. Можно видеть, что падение концентрации (градиент) довольно резкое, что соответствует резкому падению критической частоты. Видно также, что "дно" провала начинается к югу от области видимых полярных сияний. На первый взгляд может показаться, что этот градиент может влиять на прохождение на 160м, однако это не так. Как и экваториальный градиент на рис.1, он не влияет, так как сигнал диапазона 160м не достигает высоты, на которой расположен слой F (выше 300 км).

Градиент в области E обусловлен авроральной ионизацией, ее максимум находится на высоте около 110 км. Эта высота очень важна для распространения сигналов 160м. На графике мы видим экваториальную (южную) стенку градиента, то есть рост электронной концентрации происходит в северном направлении. Локатор не позволяет зафиксировать ни положение максимума концентрации, ни северную (полярную) стенку градиента, которая на нашем графике выглядела бы как падающая кривая. В нашем случае область авроральной ионизации слоя E расположена к югу от области полярных сияний. Порог чувствительности ионосферной станции, как видно из графика, составляет величину примерно два на десять в четвертой степени электронов на кубический сантиметр (2·10⁴ см^-3). Обычное же значение электронной концентрации в слое E для ночных условий составляет около 0.3·10⁴ см^-3, так что градиент на самом деле еще больше, чем измеренный с помощью радиолокатора.

Изучению авроральной ионизации слоя E посвящено немало исследований. В результате выявлены следующие наиболее общие характеристики явления:

1. Градиент ионизации непостоянен во времени. Хотя он возникает в основном в периоды геомагнитных возмущений, и в эти же периоды он имеет максимальную величину, он встречается также и во время спокойной ионосферы.

2. Область существования градиента не ограничивается кольцом полярных сияний или экваториальной границей области видимых полярных сияний, как показано на рис.2, довольно часто она простирается на несколько градусов к экватору от этой границы.

3. Область градиента возникает чаще всего на ночной стороне аврорального овала (местная полночь плюс-минус несколько часов), но она непостоянна и в пространстве, в ней могут существовать разрывы.

4. С ростом геомагнитной возмущенности внешняя граница аврорального овала смещается к экватору, вместе с ней смещается и область градиента ионизации.

Все эти технические подробности конечно интересны, но каким образом это связано с нашим случаем? Видимо, вы уже догадались - градиент ионизации возникает как раз в той области, где происходит отклонение трассы W4ZV-SM4CAN. Откуда нам это известно? На наше счастье, примерно в то время над северной полярной областью пролетал спутник NOAA-12, делающий снимки аврорального овала.

Рис.3. Снимок аврорального овала и трасса W4ZV-SM4CAN.

Результаты измерений показаны на рис.3. Это карта в азимутальной эквидистантной проекции с центром в географическом северном полюсе. Траектория спутника выглядит в виде дуги, идущей с юго-запада на северо-восток и проходящей чуть выше центра карты. Длины отрезков сплошных линий, отходящих от траектории к юго-востоку, пропорциональны логарифму суммарной энергии, измеренной в данной точке траектории. Линии, отходящие от траектории к северо-западу и состоящие из точек, показывают энергию электронов в данной точке траектории: 2-м точкам соответствует энергия 350 эВ, 22-м точкам соответствует 17.5 кэВ, промежуточные значения согласно полулогарифмической шкале. По этим данным построен авроральный овал (показан цветами от красного через желтый до синего).

Красная область овала - это область максимальной концентрации электронов, именно там наибольшее количество электронов вбрасывается в ионосферу и, двигаясь по спирали вокруг силовых линий магнитного поля Земли, проникает в слои E и D. Желтая область приблизительно соответствует внешней границе полярных сияний. Градиент авроральной ионизации слоя E имеет место в красной и желтой областях и, возможно, заходит на несколько градусов в синюю область. Вырыв в правой нижней части овала к юго-востоку от Новой Шотландии и Ньюфаундленда не означает отсутствие авроральной зоны, а означает отсутствие данных со спутника. Авроральная зона там конечно есть, ее положение легко представить, если мысленно продолжить картинку.

Путь по дуге большого круга показан на рисунке пунктиром. (Он показан в виде дуги, а не в виде прямой, потому что не проходит через центр карты). Видно, что связь по дуге большого круга была бы проблематичной, потому что в этом случае сигнал испытывал бы сильное авроральное поглощение. Показана также трасса по косому пути (белой сплошной линией), перенесенная с рис.1. Остается в силе замечание о приблизительности точки излома траектории, связанное с неточным измерением углов прихода сигналов из-за широкого лепестка диаграммы направленности бевереджа. Еще одно замечание: положение южной границы области видимых полярных сияний, (показано желтым цветом), может отличаться на несколько градусов как в ту, так и в другую сторону. Другими словами, связь между результатами измерений энергии электронов и положением аврорального овала не является математически точной. Однако, показанное на рисунке положение овала хорошо согласуется с другими результатами исследований, выявивших связь области сияний с состоянием магнитного поля Земли, в частности магнитограмм и фотоснимков неба, сделанных в Институте космической физики в Кируне, Швеция.

Рис.4. Магнитограмма, снятая в Кируне (Швеция).

Магнитограмма на рис.4 показывает возмущение магнитного поля, начавшееся около 0200 UTC и закончившееся около 0500 UTC. Измеренные в Кируне k-индексы составляли: k=5 между 0000 и 0300 UTC и k=6 между 0300 и 0600 UTC. Фотокамера, делающая в это же время снимки неба в радиусе 1000 км на высоте слоя E, показала наличие полярных сияний по крайней мере до границы зоны обзора (1000 км) в юго-восточном и юго-западном секторах. Снимки делались каждую минуту, что позволяет судить о наличии динамики процесса - картина сияний, а следовательно градиент электронной концентрации менялись во времени как по величине, так и по положению.

Всё это позволяет сделать следующий вывод: сигнал W4ZV, начавший свой путь по дуге большого круга в восточном направлении, отклонился от этой траектории из-за градиента электронной концентрации в области E на внешней границе аврорального овала и затем распространялся по другой дуге большого круга, придя в Швецию с юго-западного направления. Такое отклонение траектории должно было быть вызвано увеличением электронной концентрации в южном направлении, а, как отмечалось выше, это имеет место на полярной (северной) стенке градиента. Возникает вопрос: если траектория сигнала отклоняется к северу полярной (дальней) стенкой градиента, то как сигнал вообще дошел до этой стенки? Разве он не должен был вначале отклониться к югу экваториальной стенкой? Объяснение этому было дано выше при характеристике авроральной ионизации (см. пункт 3) - на внешней границе аврорального овала могут быть разрывы в градиенте, через которые сигнал может проникать внутрь овала.

Возникает еще один вопрос: какой величины градиента достаточно для подобного отклонения траектории? Достаточно ли такого градиента, который мы видели на рис.2? Величина отклонения путем рефракции прямо пропорциональна изменению электронной концентрации на единицу расстояния (градиенту) и обратно пропорциональна квадрату частоты сигнала. Чем больше градиент, тем больше отклонение траектории для данной частоты. Аналогично, чем ниже частота, тем больше отклонение при постоянном градиенте.

Из рис.1 следует, что трасса сигнала на пути от W4ZV делает резкий поворот влево почти на 90° с одной дуги большого круга на другую. После тщательного моделирования с использованием лучевой модели и при различных градиентах оказалось, что такое отклонение не может иметь характер рефракции. Просто авроральная ионизация слоя E не может привести к такой большой величине отклонения на таком малом расстоянии по широте.

Поэтому более вероятно, учитывая большую величину градиента и его малую протяженность (порядка длины волны), что градиент в нашем случае играет роль рефлектора типа металлического отражателя. Можно оценить проводимость этого рефлектора по данным рис.2, он составляет порядка 1 мсим/м, что соответствует проводимости плохой земли. Такая величина проводимости однозначно говорит о том, что градиент может играть роль рефлектора. Это важный вывод, так как он объясняет, как могло произойти такое большое отклонение трассы сигнала, которое наблюдалось во время связи.

Довольно любезно со стороны аврорального овала дать нам возможность проводить связи по косому пути, когда он закрывает нам обычный путь из-за роста поглощения. Кстати, легко показать, что связи с Европой по косому пути более вероятны из старого QTH W4ZV (WØ, Колорадо), чем из нового (W4), что подтверждается его наблюдениями. Достаточно посмотреть на взаимное расположение аврорального овала и трассы WØ-Европа. Аналогично можно показать, что связи по косому пути с Японией менее вероятны из WØ, чем из W4, опять же, исходя из взаимного расположения трассы и аврорального овала. И это также подтверждается на практике.

Замечательно, что теперь все части головоломки встают на свои места, но всё это не больше, чем предположения. С помощью лучевой модели расчета прохождения, заложенной в уже упоминавшейся программе Proplab Pro, можно подтвердить большую часть этих предположений. Однако, обе модели ионосферы, на которых базируется расчет в этой программе (модель CCIR и модель URSI), не учитывают влияние повышенных градиентов электронной концентрации, а также их динамики.

Поэтому большое значение имеют наблюдения косого пути от других, независимых источников. И такие данные существуют (Roger, Washington и Jones, 1997). В марте 1994 года в Англии измерялись углы прихода сигналов из Галифакса, Новая Шотландия на трех частотах: 5097, 10945 и 15920 кГц. Для измерения использовались 24-элементные антенные решетки.

Было отмечено, что отклонения углов прихода сигналов были больше ожидаемых по величине и повторяемости. Отклонения для частоты 5097 кГц (эта частота ближе остальных к нашим НЧ диапазонам, поэтому другие частоты не рассматриваем) достигали 70°. В большинстве случаев отклонения происходили к югу от обычного азимута (286° по короткому пути). Отмечено также, что угол отклонения возрастал при росте k-индекса. Авторы исследования связывали эти отклонения с градиентом в области главного ионосферного провала области F, поскольку частоты, на которых проводились измерения, достаточно высоки. Однако, механика этого процесса очень похожа на наш случай более низких частот для трассы "Восточное побережье США - Европа", если учитывать расположение аврорального овала.

Напоследок еще одно замечание. В недавно вышедшем новом издании своей книги "Low Band DXing" (Devoldere, 1999) John Devoldere ON4UN посвятил часть первой главы обсуждению косого пути. Devoldere совершенно правильно связывает отклонение пути с горизонтальным градиентом, однако некоторые его иллюстрации, например рисунки с 1-22 по 1-27, сделаны в предположении, что трасса сигнала плавно искривляется вокруг внешней границы аврорального овала. По моему скромному убеждению, это весьма маловероятно, так как для этого требуется наличие сложных профилей электронной концентрации, как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости, а также отсутствие провалов (дыр) в авроральном овале. Более вероятным представляется механизм, описанный в данной статье: отклонение от дуги большого круга благодаря отражению от области горизонтального градиента и дальнейшее распространение по другой дуге большого круга.

Суммируя всё вышесказанное, можно сказать, что распространение сигнала с отклонением от дуги большого круга на трассах "Восточное побережье - Европа" и "Средний запад - Европа" может быть объяснено значительным отклонением трассы сигнала из-за наличия высокого горизонтального градиента электронной концентрации на полярной границе максимума авроральной ионизации E-слоя, который имеет место на экваториальной границе аврорального овала. Возможно также, что с этим же механизмом связаны случаи приёма в W7 (WA,OR) европейских станций с северо-западного направления.

Благодарности:

Выражаю благодарность Stu Cohen N4XX, Cary Oler, Bill Tippett W4ZV, Dean Straw N6BV за их полезные замечания. Выражаю благодарность Dave Evans и Sue Greer из NOAA/SEC за рис.3. Выражаю благодарность Urban Brandstrom SM2PQQ за рис.4. Наконец, выражаю благодарность Bob Brown NM7M не только за проверку статьи, но и за то, что он натолкнул меня на идею связи косого пути с физикой ионосферы.

Литература

1. Proplab Pro propagation software, Solar Terrestrial Dispatch, PO Box 357, Stirling, Alberta, T0K 2E0, Canada.
   http://solar.uleth.ca/solar/www/proplab.html
2. Oler, C. and T. J. Cohen; The 160 Meter Band - An Enigma Shrouded in a Mystery - Parts I and II, CQ Amateur Radio, Vol 54, No 3, March 1998, pp 9-14 and Vol 54, No 4 April 1998, pp 11-16. Перевод статьи здесь.
3. Bates, H. F., A. E. Belon, and R. D. Hunsucker; Aurora and the Poleward Edge of the Main Ionospheric Trough, Journal of Geophysical Research, Vol 78, No 4, February 1, 1973, pp 648-658.
4. Rogers, N. C., E. M. Warrington, and T. B. Jones; Large HF bearing errors for propagation paths tangential to auroral oval, IEE Proceedings - Microwaves, Antennas, and Propagation, Vol 144, No 2, April 1997, pp 91-96.
5. Devoldere, J.; ON4UN's Low-Band DXing, 3rd Edition, 1999, ARRL, Newington, CT.

Примечания переводчика

• Электронная концентрация - количество электронов в единице объема.

• Градиент - изменение какого-либо параметра среды с расстоянием.
• Главный ионосферный провал - область пониженной концентрации электронов в виде незамкнутого кольца, расположенная между средними широтами и авроральной областью.
• Авроральная ионизация - ионизация, вызванная не обычным способом - ультрафиолетовым излучением Солнца - а проникшими в атмосферу Земли заряженными частицами. Наблюдается только в высоких широтах и только во время геомагнитных возмущений.
• Скачать эту статью одним файлом (120 кб).
• Оригинал статьи здесь.

August 2004        73 de Mike 

Быстрый поиск в разделе:  (Подробнее) Найти Подписка на новости Свежий выпуск каждый день! Ваш Email: Все статьи Экспорт статей с сервера QRZ.RU

Рейтинг читателей этой статьи Рейтинг 1.00 балл на основе 1 мнения Отлично  0 0% Хорошо  0 0% Потянет  0 0% Неприятно  0 0% Негативный  1 100%

Смотрите также

Комментарии

Обсуждение этой статьи - Скажите свое мнение!

Оставьте свое мнение

Комментарии 0

Обсуждение этой статьи - Скажите свое мнение!