Статья посвящена типам радиоволн их распространению в различных средах, в том числе в океане. Корреляция характеристик распространения в зависимости от параметров среды.
Ключевые слова: длина волны, ионосфера, океан, параметры среды.
The article is devoted to the types of radio waves to their propagation in various environments, including in the ocean. Correlation of propagation characteristics depending on environmental parameters.
Keywords: wavelength, ionosphere, ocean, environment parameters.
В настоящее время, Международный союз электросвязи классифицирует электромагнитные колебания в частотном диапазоне от 0,03 Гц до 3 ТГц, как радиоволны. Указанный частотный диапазон, соответствует длинам волн от 10 млн. километров до 0,1 миллиметра. Они распространяются в пространстве со световой скоростью ≈300000км/с. Естественным путем создаются в молнии или космических явлениях. Искусственными источниками служат радиовещание, мобильная связь, радиолокация, спутники, компьютерные сети и прочие подобные приборы [1].
Таблица 1
Типы радиоволн
|
Диапазон |
Частота f, Гц |
Длина волны λ, м |
Преимущественный механизм (способ) распространения |
|
Инфразвуковые и звуковые радиоволны |
3x10–3-3x103 |
1011–105 |
Земные волны (поверхностные) |
|
Сверхдлинные радиоволны (СДВ) |
3x103–3x104 |
105- 104 |
Земные волны (поверхностные) |
|
Длинные радиоволны (ДВ) |
3x104- 3x105 |
104–103 |
Земные волны (поверхностные) |
|
Средние радиоволны (СВ) |
3x105- 3x106 |
103–102 |
Земные волны (поверхностные), ионосферные волны (пространственные) |
|
Короткие радиоволны (КВ) |
3x106–3x107 |
102–10 |
Ионосферные волны (пространственные) |
|
Ультракороткие радиоволны (УКВ): метровые радиоволны (МВ); дециметровые радиоволны (ДМВ); сантиметровые радиоволны (СМВ); миллиметровые радиоволны (ММВ); |
3x107–3x1011 3x107- 3x108 3x108–3x109 3x109–3x1010 3x1010–3x1011 |
10–10–3 10–1 1- 10–1 10–1-10–2 10–2-10–3 |
Тропосферные волны, прямые волны, пространственные (в мв диапазоне) |
|
Оптические радиоволны: инфракрасные (ИК); видимый свет; ультрафиолетовые (УФ) |
3x1011- 3x1015 3x1011- 4x1014 4x1014–7.5x1014 7.5x1014–3x1015 |
10–3-10–7 10–3-7.5x10–7 7.5x10–7- 4x10–7 4x10–7-10–7 |
Прямые волны |
С развитием беспилотных устройств (глайдеров, субмарин и т. п.) при исследовании мирового океана, становиться более актуальной проблема с передачей данных между исследовательскими центрами и устройствами исследования.
Основная функция радиоволн — это передача энергии, которую излучает генератор электромагнитных колебаний через пространство. Генерация радиоволн происходит за счет изменения электрического поля. Свойства радиоволн и других видов электромагнитного излучения определяются, такими характеристиками, как частота (f), длина волны (λ) и мощность переносимой энергии. Частотная характеристика электромагнитных волн определяет, сколько раз в секунду в генераторе изменяется направление электрического тока, другими словами, сколько раз в секунду изменяется величина электрического и магнитного полей. Частота измеряется в Герцах (Гц). 1 Гц — это одно колебание в одну секунду. Длина волны определяет расстояние между точками радиоволны в пространстве в которых электрическое или магнитное поле находятся в одной фазе. [1]
Принято считать, что параметры распространение радиоволн в земном пространстве зависят от свойств и особенностей поверхности земли и свойств атмосферы. Параметры распространения радиоволн вдоль поверхности земли, определяются, в том числе рельефом местности (наличия гор, ущелий и т. п.), характеристиками земной поверхности и длиной волны. Встречая на своем пути препятствие радиоволна изменяется. Это изменение называется — дифракция, и характеризуется изменением волны по фазе, по амплитуде, изменением траектории. Препятствия для радиоволн могут быть прозрачными или полупрозрачными. Как правило, максимальное изменение параметров радиоволны, происходит в том случае, когда геометрические размеры препятствий соизмеримы с длиной волны. «Радиоволны, распространяющиеся у поверхности земли, за счет дифракции огибающие выпуклость земного шара, называются земными, или поверхностными радиоволнами». [2]
Рис. 1. Дифракция радиоволны
Очевидно, что над поверхностью океана, моря практически отсутствует какой-либо рельеф, следовательно, и дальность радиосвязи над водной поверхностью увеличивается по сравнению с дальностью связи над сушей.
Рис. 2. Простейшая линия радиосвязи
Атмосфера земли, как газообразная оболочка, распространяющаяся на высоту более 1000 км, является, по определению, неоднородной средой, и условно подразделяется на несколько слоев. Разнообразные газы, составляющие воздух, располагаются слоями, более легкие — выше, более тяжелые — ниже. Принято выделять трех основных сферы (слоя): самый нижний слой — тропосфера, верхняя граница которой проходит на высоте 10–14 км; средний слой — стратосфера, условная граница, которой находится на высоте 60–80 км; внешний слой — ионосфера. Для распространения радиоволн основное значение имеет ионосфера. Этот слой расположен примерно в 80–100 км от поверхности Земли и обладает электропроводимостью. Электропроводимость обусловлена наличием в этом слое значительного количества ионов, появляющихся под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца и рентгеновского излучения. Очевидно, что степень концентрации ионов, в ионосфере меняется в зависимости от высоты, поэтому ионосфера, в своею очередь, тоже подразделяется на несколько слоев. Считается, что в верхней части ионизируются атомы, в нижней части — молекулы. Совершенно очевидно, что радиоволны с разной длинной волны могут либо отражаться от ионосферы, либо рассеиваться, либо проходить сквозь нее, без изменений. «Радиоволны, распространяющиеся на большой высоте в атмосфере и возвращающиеся на землю вследствие искривления траектории, рассеяния или отражения от атмосферных неоднородностей, называются пространственными, или ионосферными». [2]
Учитывая возможность многократного отражения радиоволн от ионосферы и поверхности Земли, от одного и того же источника в точку приема могут приходить и пространственная (ионосферная), и земная волны. Соответственно, если имеет место сдвиг фазы волн на 180°, то суммарное поле будет ослабляться и может стать равным нулю, и наоборот если фазы колебаний волн будут совпадают, то амплитуда суммарного поля будет возрастать. Такое явление взаимодействия волн называют интерференцией. Основными факторами, влияющими на распространение поверхностных радиоволн, являются: дифракция и влияние земной поверхности. Общеизвестно, что нижние слои атмосферы не вызывают ослабления радиоволн практически во всех диапазонах частот, и поэтому, земная волна должна бы распространяться без поглощения. Однако это происходит лишь в том случае, если земная волна проходит высоко над поверхностью земли.
Поверхность земли, а также воды морей и океанов, в реальных условиях, не являются ни идеальными проводниками, ни идеальными изоляторами. Радиоволны, попавшие на земную поверхность, возбуждают в ней переменные электрические токи, при этом часть своей энергии они расходуют на нагрев почвы. Очевидно, что величина значения потери энергии в земле напрямую зависит от частоты радиоволн и от электрического сопротивления почвы. При возрастании частоты радиоволн, в почве величина индуцируемой ЭДС увеличивается, и соответственно увеличиваются токи в земле, которые создают электромагнитное поле обратного направления. Соответственно уменьшается и дальность распространения поверхностных радиоволн. При уменьшении проводимости грунта радиоволны глубже проникают в среду и, следовательно, поглощаются. «Надо учитывать также, что скорость распространения радиоволн в земле меньше, чем в воздухе, и при движении их вдоль ее поверхности нижний край волны отстает от верхнего, фронт волны наклоняется, и помимо движения вдоль поверхности земли происходит распространение радиоволны сверху вниз. Пространственные волны распространяются в атмосфере и не касаются земной поверхности». [2].
В связи с тем, что над поверхностью таких водоемов как моря и океаны практически отсутствует какой-либо рельеф, то потери значительно ниже, чем над поверхностью земли. Однако, количество потерь зависит не только от рельефа, но и от характеристик среды, в случае с водой, таких как температура, плотность, соленость, однородность.
Рис. 3. Волна идет между Землей и ионосферой
Атлантический океан занимает площадь примерно равную 92 млн. км2. Для сравнения, площадь Средиземного моря равна 2,5 млн. км2. Принято считать, что он является одним из самых солёных океанов, несмотря на то, что в него поступает большая часть пресных вод с суши. Большинство исследователей определяют содержание солей в водах Атлантики в среднем — 35,4 %, это больше, чем соленость Тихого-34,56 %, Индийского-34,68 %, и Северного Ледовитого океанов- 31,4 %. По некоторым источникам, наиболее соленым считается Индийский океан. В отдельных зонах Индийского океана содержание солей определяется более 35,4 %. Это преобладает в северо-западной части Индийского океана, так как здесь высокая температура воды и прибавляется горячее дыхание Сахары. На все же Красное море и Персидский залив выделяются высокой соленостью воды — до 42 %. На юге, соленость Индийского океана значительно уменьшается.
Соленость в Атлантическом океане распределена более равномерно. Однако, не всегда удается определить зоны солености, это зависит от многих причин: испарения, количества и режима атмосферных осадков, притока вод из других широт с течениями и количества пресных вод, доставляемых реками. «Самая высокая соленость наблюдается в тропических широтах (по Гембелю) — 37,9 %, в Северной Атлантике между 20 и 30° с. ш, в Южной между 20 и 25° ю. ш. Здесь господствует пассатная циркуляция, мало осадков, испарение же составляет слой в 3 м. Пресных вод почти не поступает».
Считается, что в умеренных широтах Северного полушария солёность несколько меньше, туда устремляются воды Северо-Атлантического течения. В приэкваториальных широтах соленость 35,2 %.
Соленость в Атлантическом океане изменяется и с глубиной, на глубине 100–200 м она составляет в среднем 35 %, что связано с подповерхностным течением Ломоносова.
Известно, что в ряде случаев соленость поверхностного слоя не совпадает с соленостью на глубине. Соленость резко падает в течениях, разных по температуре (южнее острова Ньюфаундленд, при встрече Гольфстрима и Лабрадорского течения на незначительном расстоянии соленость падает от 35 % до 31–32 %).
Особенностью Атлантического океана является существование субмаринных источников (по И. С. Зецкеру). Это пресные подземные воды. «Один из них давно известен морякам, он расположен восточнее полуострова Флорида, где корабли пополняют запасы пресной воды. Это 90-метровое «пресное окно» в соленом океане. Вода поднимается на поверхность и бьет на глубине 40 м». [3]
Все более становиться актуальна проблема связи и передачи информации с исследовательских аппаратов как глайдеры. Подводный глайдер — это беспилотный подводно-исследовательский аппарат.
Рис. 4. Подводный морской глайдер
Он представляет из себя капсулу, начиненную различными датчиками, измерительными приборами, а также у данного аппарата есть крылья. Этот «беспилотник» передвигается за счет изменения угла атаки относительно крыльев и водного потока, угол изменяется за счет смещения центра масс на корму или же на нос. Необходимо заметить, что совершенно недавно был достигнут новый уровень в данной области — пересечение надводным беспилотником Атлантического океана. Летом 2018-го года аппарат SB Met сконструированный норвежской компанией Offshore Sensing AS пересек Атлантический океан спустя 2.5 месяца.
Рис. 5. Морской беспилотный аппарат SB Met.
Всем вышеперечисленным судам необходимо передавать информацию в виде радиоволн.
Вывод: Совершенно очевидно, уровень солености воды в океанах и морях распространяется не равномерно, не одинаков и на разных уровнях глубины. Кроме того, плотность воды в океанах и морях тоже различна. На плотность влияют: температура воды, уровень солености, широта, глубина, сезонных колебаний температуры, воды прибрежных или приустьевых районов. Поэтому, необходимо совершенствовать существующие способы передачи информации, а также искать и изучать новые виды связи, которые могли бы применяться для работы в водных просторах мирового океана с появлением новой техники.
Литература:
- Родос Л. Я. Электродинамика и распространение радиоволн (учебное пособие) — СПб., Изд-во СЗТУ, 2007
- Кубанов В. П., Ружников В. А., Сподобаев М. Ю., Сподобаев Ю. М. Основы теории антенн и распространения радиоволн: Учебное пособие, — С.: ИНУЛ-ПГУТИ, 2016
- Радиоволны и частоты http://viol.uz/radiovolnyi-i-chastotyi.html
- Распространение радиоволн http://mirznanii.com/a/121506–2/rasprostranenie-radiovoln-2
- Почему Атлантический океан самый соленый https://otvet.mail.ru/question/56552135
