Забытая радиометеорология

0 824
0

Забытая радиометеорология

Почему забытая? И что это вообще за наука? По определению, радиометеорология — это наука о связи метеорологических (погодных) процессов с процессами распространения радиоволн в атмосфере. Однако смысл, вкладываемый в это определение, несколько раз менялся на протяжении всей истории развития радиотехники.

Вспомним, что первый радиоприемник А. С. Попова использовался в качестве грозоотметчика, т. е. первое практическое применение радио было радиометеорологическим! Наблюдение атмосфериков — импульсов радиоизлучения вызванных грозовыми разрядами, получило довольно широкое распространение в 20—30-е годы. Был известен, например, прибор швейцарского физика Люжона, названный атморадиографом и представлявший собой усовершенствованный грозоотметчик Попова, объединенный с метеорологическим анемокинемографом [1]. Наблюдения велись на сверхдлинных волнах (частоты в десятки килогерц), имеющих большую дальность распространения, так что можно было регистрировать удаленные очаги грозовой деятельности, в том числе и тропические.

В годы второй мировой войны, когда Швейцария оказалась отрезанной от источников метеорогической информации, благодаря наблюдениям атмосфериков удавалось регистрировать возникновение циклонов даже у берегов Флориды. Пересекая Атлантику, эти циклоны потом определяли погоду в Европе. Позднее для более точного местоопределения очагов атмосфериков группа Люжона организовала в 1957—1959 гг. наблюдательные пункты в Цюрихе и на Шпицбергене. Пеленгация с базой в 4200 км позволила регистрировать грозы почти всего северного полушария.

Техника наблюдения атмосфериков значительно усовершенствовалась, когда появились приемники-пеленгаторы с индикацией приходящих импульсов не на слух, а на экране ЭЛТ. Структурная схема современного грозопеленгатора показана на рис. 1 [2]. Это приемник прямого усиления, содержащий три идентичных канала с полосовыми фильтрами Z1—Z3, настроенными на принимаемую частоту (например, 27 кГц), и усилителями А1 — A3. Два канала получают сигнал от скрещенных под прямым углом рамочных антенн WA1 и WA2 (с равным успехом можно использовать магнитные), а третий — от всенаправленной штыревой антенны WA3. Сигнал третьего канала ограничивается по амплитуде ограничителем U4 и служит как образцовый для работы двух синхронных детекторов U1 и U2, установленных в первых двух каналах.

 

Забытая радиометеорология

 

На выходах синхронных детекторов демодулированные сигналы пропорциональны синусу и косинусу угла прихода радиоволн. Подав их, после соответствующего усиления и формирования в устройствах U5 и U6, на пластины горизонтального и вертикального отклонения ЭЛТ, мы получаем угол отклонения луча, пропорциональный арктангенсу отношения напряжений в каналах с рамочными антеннами, т. е. азимуту угла прихода волн. Первоначальная юстировка пеленгатора осуществляется поворотом рамочных антенн и фазовращателем U3 в цепи образцового сигнала.

Как видим, пеленгатор достаточно прост, не содержит подвижных устройств для поворота антенн, тем не менее позволяет определять азимут с довольно высокой точностью. Атмосферик на экране наблюдается в виде выброса луча из центра экрана в направлении, соответствующем азимуту, причем длина выброса соответствует амплитуде атмосферика. Таким образом, формируется полярная диаграмма интенсивности атмосфериков. Тайфуны и ураганы дают на ней острый резкий максимум, фронтальные же области гроз — широкий максимум по направленности и меньший по интенсивности [1].

Техника грозопеленгации как-то не получила должного освещения в отечественной литературе, а в радиолюбительской — и вовсе отсутствует. В то же время предсказания гроз, ураганов, шквалов, ливней и наблюдения за их развитием чрезвычайно важны, особенно в сельской местности. Думается, что здесь широкое поле деятельности для радиолюбителей.

Другой аспект радиометеорологии связан с наблюдениями за прохождением сигналов радиостанций в атмосфере. В 20—30-е годы прошлого века считалось само собой разумеющимся, что радиоприем связан с состоянием погоды. Среди радистов бытовала даже такая примета: "хорошая погода — плохой прием, плохая погода — хороший!". Тогда же были проведены многие работы и исследования, доказывающие связь распространения длинных, средних и коротких волн (ДВ, СВ и KB) с метеоусловиями. Участие в них принимали радиолюбители Г. И. Казаков (Ташкент), М. А. Бенашвили (Тбилиси), Л. С. Леонов и А. П. Щетинин (Москва). Их наблюдения дали очень ценные результаты, но теперь о них мало кто знает.

В годы Великой Отечественной войны было не до радиометеорологии, но развивалась радиолокация, освоили диапазоны дециметровых, сантиметровых, а позже и миллиметровых волн Потом, уже в 50—60-е годы, велись теоретические и экспериментальные исследования дальнего распространения УКВ за счет рефракции в тропосфере, рассеяния на тропосферных неоднородностях, обнаружили существование тропосферных волноводов. Были получены радиолокационные отражения от облаков, зон осадков и даже от "ясного неба" — участков тропосферы с большими флуктуациями индекса преломления.

Таким образом, сформировалась уже "третья" радиометеорология, изучающая распространение и отражение УКВ в тропосфере [3]. К ней же часто относят изучение атмосферы с помощью шаров-зондов, снабженных радиопередатчиками. Вспомним знаменитый радиозонд системы проф. Молчанова, впервые запущенный в январе 1930 г. Он был настолько удачно сконструирован, что даже много лет спустя использовался большинством отечественных метеостанций.

Именно эта радиометеорология, да плюс еще радиолокационная метеорология стали главенствующими в послевоенные годы, полностью вытеснив ту, старую радиометеорологию, относящуюся к ДВ, СВ и КВ. Этому же "нечаянно" поспособствовали и известные ученые Педерсен и Остин, еще в 1927—1931 гг. высказавшиеся за независимость распространения ДВ, СВ и KB от метеоусловий (на самом деле их вывод был сделан в результате наблюдений в Америке за работой европейских станций, а на таких просторах встречается любая погода [1], поэтому зависимости и быть не может).

С тех пор в науке о распространении радиоволн утвердились положения, которые можно найти в любом учебнике: распространение ДВ, СВ и KB с погодой не связано, параметры ионосферы определяются лишь процессами на Солнце да магнитным полем Земли, а дальнее распространение радиоволн этих диапазонов — состоянием ионосферы. Влияние же тропосферы наблюдается только на УКВ и СВЧ.

Ранее в этом был уверен и автор этих строк, но несколько случаев из практики сильно поколебали эту уверенность.

Первый случай произошел на геодезическом полигоне под Серпуховым, в 100 км южнее Москвы. В летний полдень, слушая московскую радиостанцию на длинных волнах, с удивлением обнаружил колебания уровня сигнала с размахом более 12 дБ и с периодичностью в несколько секунд! Помогло то, что прием велся на измеритель уровня помех, в котором не было АРУ, зато был стрелочный индикатор уровня входного сигнала, фединги на ДВ при распространении на небольшое расстояние земной волной? Быть такого не может! Однако стрелка упрямо ходила по всей шкале. В полном недоумении выйдя из палатки, я увидел на небе огромную и красивую грозовую тучу, надвигающуюся с юга. Сопоставление скорости движения тучи с длиной волны ясно показало, что фединги были вызваны интерференцией обычной земной волны и волны, отраженной от тучи.

Другой случай произошел на гидрографическом судне, проводившем научные работы в проливах между Курильскими островами. Несмотря на удаленность от крупных населенных центров, эфир был полон: на СВ — масса японских радиовещательных станций, на ДВ хорошо были слышны Хабаровск, Петропавловск-Камчатский, Владивосток и Магадан. Но в одно прекрасное утро (как всегда туманное) приемник в кают-компании отказался принимать хоть что-нибудь на ДВ и СВ и меня позвали починить его. Приемник оказался исправным. Прослушивание эфира на большом связном приемнике у радистов судна показало, что сигналы упомянутых радиостанций поглощались практически полностью, лишь несущая радиостанции Петропавловска-Камчатского принималась, скорее угадывалась, в телеграфном режиме балла на два. Оживал эфир только на частотах выше 3,5 МГц, где наблюдалось нормальное для KB прохождение. Дня три на ДВ и СВ было "глухо как в танке", и лишь постепенно прохождение восстановилось.

Через много лет к автору попала замечательная книга [1] Дмитрия Николаевича Насилова, ученого из МГУ, написанная, главным образом, по результатам исследований 20—30-х годов. Впервые в литературе прочитал об аналогичном случае, произошедшем совсем в другом районе земного шара — во время рейса экспедиционного судна "Персей" от Архангельска к Земле Франца-Иосифа (ЗФИ). Было отмечено, что при выходе из теплого течения Гольфстрима в холодные арктические воды все расположенные к югу радиостанции стали едва слышимы или пропали совсем. Но при подходе к ЗФИ слышимость восстановилась, в то же время гидрологи отметили появление еще одной теплой струи Гольфстрима. Наблюдатели объяснили "зону молчания" рефракцией радиоволн на мощном и обширном слое тумана над теплым течением, вторгающимся в холодные воды. Заметим, что на Курилах ситуация аналогична: теплое течение Куро-Сио, идущее от японских островов, сталкивается с холодными водами Охотского моря.

Объяснение Курильско-Кольского эффекта тогда не было поддержано авторитетными учеными, да и до сих пор многие подобные факты не включены в учебники по распространению радиоволн. Но факты — упрямая вещь, и эксперименты подтверждают, что на ДВ, СВ и KB также наблюдаются явления рефракции, отражения и волноводного распространения, как и на УКВ.

В этом плане большой интерес представляют наблюдения за напряженностью поля радиовещательных станций. Так, например, американский исследователь Р. Колвелл, находясь в 170 км от г. Питсбурга и измеряя напряженность поля радиостанции этого города на волне 305 метров, установил 98-процентную корреляцию с погодными условиями. Его же группа в 1939 г. экспериментально получила отражения на KB (частоты 1614 и 3492,5 кГц) от тропосферных слоев, находящихся значительно ниже ионосферного слоя Е, даже на высотах 1...2.3 км! Измеренные значения коэффициента отражения составляют порядка 10-4 для тонких облаков в виде дымки, всегда имеющихся на высотах 12...16 км, и порядка 0,001...0,05 для облаков теплого фронта, они могут возрастать до 0,7 (!) для мощных кучевых и грозовых облаков, часто сопровождающихся холодным фронтом.

 

 

Колебания напряженности поля радиостанций при грозах отмечались многими — в качестве примера на рис. 2 приведена запись радиостанции г. Киева (1209,6 метра), выполненная киевским же радиоприемным пунктом при хорошей погоде (рис. 2,а) и при грозе (рис. 2,б) [1]. Колебания можно объяснить появлением областей повышенной ионизации воздуха на небольших высотах. Но и в отсутствие гроз приближение, например, теплого фронта дает общий рост напряженности поля на ДВ и СВ, тогда как холодный фронт вызывает резкие колебания, фединги и может привести даже к пропаданию сигнала.

В атмосфере наблюдаются и нелинейные эффекты, проявляющиеся в виде "накладок" на несущую принимаемой радиостанции. М. А. Бенашвили в 1938 г предложил определять расположение атмосферных фронтов по характеру "накладок" на сигналы ДВ и СВ радиостанций, принимаемых с различных направлений и расстояний. Так, холодный фронт на пути радиоволн порождает трески и щелчки, теплый фронт — шорохи, сплошной фон.

В одной статье невозможно пересказать множество интереснейших явлений, проявляющихся при внимательном прослушивании эфира и изучении процессов распространения радиоволн. Цель данной публикации — привлечь внимание радиолюбителей к этим полузабытым явлениям, как-то потерявшимся в наш век компьютеров и спутниковой связи. Нелишне напомнить, что даже космическое радиоизлучение было открыто рядовыми радиоинженерами, выполнявшими будничную работу по измерению радиопомех, а дальнее распространение KB — радиолюбителями.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Насилов Д. Н. Радиометеорология. — М.: Наука, 1966.
  2. Бару Н. В. и др. Радиопеленгаторы — дальномеры ближних гроз. — Л.: Гидрометеоиздат, 1976.
  3. Бин Б. Р. и Даттон Е. Дж. Радиометеорология. — Л.: Гидрометеоиздат, 1971.
 

В. ПОЛЯКОВ


Источник | Опубликовал: RD3AVG


и поделитесь с друзьями в соц сетях:


Добавить комментарий

Похожие новости